CN114411119B - 一种渐变彩虹色碳纤维材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维及其制备方法，从一维光子晶体的原理出发，利用原子层沉积技术在碳纤维表面上交替沉积具有低、高折射率的薄膜，通过光子晶体薄膜厚度逐渐变化，实现了碳纤维材料颜色的变化。由于该光子晶体薄膜在碳纤维材料上厚度不同，因此在自然光的照射下，使碳纤维呈现出两种或两种以上的亮丽颜色。本发明在摩擦牢度及水洗实验中，验证其着色层与碳纤维之间有很强的结合力。本发明扩大了彩色碳纤维的应用范围。

Description

一种渐变彩虹色碳纤维材料及其制备方法
技术领域
本发明属于碳纤维着色领域，具体涉及一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色材料及其制备方法。
背景技术
碳纤维(carbon fiber，简称CF)是一种含碳量在93％以上的高强度、高模量、超轻质的无机高分子纤维材料，具有高的热稳定、化学稳定性以及良好的导热性和导电性。由于具有独特的物理化学性能广泛应用于航空航天、化工、基础设施、军事、体育、能源、纺织等各个领域。目前碳纤维材料单一的黑色不能满足人们对彩色的审美需求，这是因为碳纤维的类石墨结构使其表面呈化学惰性、界面能低、界面浸润性能和高温耐氧化性能差、缺乏具有较高反应活性的化学基团难以使用传统的染料进行着色，而且黑色碳纤维材料在整个可见光区域内对光的强烈吸收会掩盖染料分子产生的颜色。中国专利号CN201510127348.1名称为“一种基于环基聚膦腈膜的彩色碳纤维”该方法采用原位聚合的方法的碳纤维表面共价接枝了聚膦腈膜层，通过单层薄膜干涉制备出彩色碳纤维；中国专利号CN201910303347.6名称为“一种基于电聚合技术制备彩色碳纤维材料的方法，该方法采用电聚合的方法”使色粉随着聚合反应的发生附着在碳纤维表面上，达到着色的效果。中国专利公开号201510207446.6，名称为“一种彩色碳纤维的制备方法”，该方法利用原子层沉积在碳纤维布上沉积不同厚度的TiO2，利用单层膜干涉的原理产生颜色。以上这些方法制备出的彩色碳纤维材料，一方面色粉和碳纤维表面的结合牢度不够，另一方面利用单层薄膜干涉原理制备出的彩色碳纤维材料饱和度低、颜色不够亮丽。中国专利号CN201810557206.2“一种基于一维光子晶体的彩色碳纤维材料及其制备方法”该方法是在碳纤维表面交替的沉积低折射率和高折射率材料，利用一维光子晶体薄膜对光的折射、反射和衍射使碳纤维产生亮丽的颜色。这一方法只能制备出单一颜色的彩色碳纤维，颜色的丰富度不够，很难满足人们日益变化的审美需求。本发明从一维光子晶体的原理出发，利用原子层沉积技术在碳纤维表面上构筑低、高折射率层层交替的周期结构，通过控制同一块碳纤维材料上的一维光子晶体薄膜厚度渐变，使同一块碳纤维材料呈现出亮丽且饱和度高的渐变彩虹色。
发明内容
为了解决目前只能制备出某种单一颜色的彩色碳纤维的问题，同时增加彩色碳纤维的饱和度和亮丽程度，本发明从一维光子晶体的显色原理出发，提供一种颜色亮丽、薄膜结合力强具有渐变彩虹色的碳纤维材料及其制备方法。本发明利用原子层沉积技术在碳纤维材料表面交替沉积具有低、高折射率的薄膜，构筑一维光子晶体薄膜，通过控制碳纤维材料上的一维光子晶体薄膜厚度渐变，使碳纤维材料表面呈现出亮丽、饱和度高的渐变彩虹色。
一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色的碳纤维材料，该渐变碳纤维材料由两部分构成，包括内部的碳纤维和包裹在碳纤维表面的厚度渐变的一维光子晶体薄膜，所述的一维光子晶体薄膜由低折射率的材料和高折射率的材料自内向外层层堆叠形成周期性排布的微观结构，其中高折射率材料的厚度均匀，低折射率材料的厚度逐渐变化；
所述碳纤维材料为碳纤维或碳纤维布；
该渐变彩虹色颜色亮丽，色彩饱和度高，且颜色过渡均匀，同时表面包覆的一维光子晶体薄膜与碳纤维材料之间结合力较强，摩擦牢度高，颜色持久稳定。
本发明所述的一维光子晶体薄膜是由低折射率材料形成的低折射率薄膜，高折射率材料形成的高折射率薄膜组成。其中低折射率材料形成的低折射率薄膜厚度逐渐变化。由低、高折射率材料通过交替层层叠加形成的一维光子晶体薄膜与碳纤维相结合赋予碳纤维亮丽的颜色，根据布拉格方程，它的颜色来自于该一维光子晶体周期微结构对光线的干涉、衍射、反射等物理光学过程。由于一维光子晶体层层交替的周期结构，光在周期介质中经过多次反射，反射峰强度增强，亮度增强。
根据上文技术方案，优选的情况下，所述低折射率材料沉积低折射率薄膜，高折射率材料沉积高折射率薄膜，为一个完整的周期，所述周期为2个周期。
根据上文技术方案，优选的情况下，厚度均匀高折射率才材料GeO2、TiO2和ZnO中的一种，所述厚度渐变的低折射率材料选自MgO、SiO2和Al2O3中的一种。
根据上文技术方案，优选情况下，所述高折射率材料(薄膜)的厚度为40-100nm，所述低折射率(薄膜)的厚度为40-150nm，其中低折射率材料(薄膜)在碳纤维材料表面由进气口到出气口沿气流的方向上厚度逐渐减少，差值区间为30-110nm。
根据上文技术方案，优选情况下，所述三甲基铝的纯度为99.999％，所述三(二甲胺基)硅烷的纯度为99.999％，所述双(环戊二烯基)镁的纯度为99.999％；所述二乙基锌的纯度为99.999％；所述四(二甲氨基)钛的纯度为99.999％；所述四(二甲氨基)锗的纯度为99.999％。
本发明从光子晶体显色原理出发，利用原子层沉积技术在碳纤维材料表面交替沉积具有低、高折射率的薄膜，构筑一维光子晶体薄膜，通过控制光子晶体薄膜由厚到薄的变化，使碳纤维材料表面呈现出亮丽的渐变彩虹色。通过控制光子晶体薄膜厚度在可见光区的尺度范围内，其微观结构对光线发生干涉和衍射使黑色碳布呈现亮丽的结构色，所述的碳纤维的反射峰位置处在380-800nm范围内，在自然光的照射下在同一碳纤维材料上自进气口到出气口沿气流的方向上呈现出红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色、紫色中的两种以上的颜色。
本发明所述的基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维的制备方法，采用水作为第一前驱体，以蒸汽的形式脉冲进入真空反应腔中，之后用高纯氮气吹扫；采用低折射率材料的金属有机物前驱体作为第二前驱体，以蒸汽的形式脉冲进入真空反应腔室，再用高纯氮气进行吹扫，同时改变第一前驱体和第二前驱体的脉冲量，加上一个较小的数，不断循环直到增加至一个较大的脉冲量，此过程为一个完整的循环；重复此循环80-150次。接着在此基础上用水作为第一前驱体，以蒸汽的形式脉冲进入真空反应腔中，之后用高纯氮气吹扫；采用高折射率材料的金属有机物前驱体作为第二前驱体，以蒸汽的形式脉冲进入真空反应腔室，再用高纯氮气进行吹扫，此过程为一个完整的循环；重复此循环200-500次。以上为一个周期，沉积两个周期。具体的包括如下步骤：
(1)将碳纤维材料用丙酮和乙醇清洗表面的杂质和油污，再进行干燥，将干燥后的碳纤维材料置于等离子清洗机中进行表面活化处理；通过电离空气在碳纤维材料表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；
(2)将经步骤(1)处理后的碳纤维材料置于原子层沉积的真空反应腔中，其中反应气体由进气口到出气口穿过碳纤维材料表面，如图1所示。
(3)按照步骤(2)真空反应腔温度控制在150-200℃，以纯度为99.999％的高纯氮气作为载气，流量控制在20sccm；采用水作为第一前驱体，将其以蒸汽的形式通过温度为150℃进气口管道脉冲进入真空反应腔。脉冲时间为0.015-0.2s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫，吹扫时间为2-10s；采用低折射率材料的金属有机物前驱体作为第二前驱体，将其以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道通入真空反应腔中，脉冲时间为0.015-0.2s；接着再用纯度99.999％的高纯度氮气，吹扫2-10s；此过程为一个循环，在碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)表面沉积了一层低折射率材料(薄膜)；
(4)将沉积过程中的第一前驱体和第二前驱体的脉冲时间在前一次数值(原来)的基础上加上0.003-0.1s重复步骤(3)；
(5)重复步骤(4)直至第一前驱体和第二前驱体的脉冲时间为0.06-0.1s时停止；
(6)按照步骤(3)-(6)所述方法重复以上沉积循环80-150次；
(7)继续在步骤(6)的基础上沉积，真空反应腔温度控制为150-200℃，以纯度为99.999％的高纯氮气作为载气，流量控制在20sccm；采用去离子水作为第一前驱体，将其以蒸汽的形式通过温度为150℃进气口管道脉冲进入真空反应腔。脉冲时间为0.05-3s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫，吹扫时间为2-10s；采用高折射率材料的金属有机物前驱体作为第二前驱体，将其以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道通入真空反应腔中，脉冲时间为0.06-3s；接着再用纯度99.999％的高纯度氮气，吹扫2-10s；此过程为一个完整的循环，在碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)表面沉积了一层高折射率材料(薄膜)；
(8)按照步骤(7)所述的方法重复此沉积循环200-500次；
(9)步骤(3)-(8)为一个完整的周期，按照步骤(3)-(8)所述方法沉积第二个周期，得到基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料。
例如，按照步骤(3)-(9)所述方法制备的碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)，步骤(5)中重复10次，步骤(6)沉积循环80次、步骤(8)中沉积循环分别为200次、250次、300次，步骤(9)中周期为两个，得到的渐变彩虹色碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)分别用CF-2(10x80+200)/CFF-2(10x80+200)、CF-2(10x80+250)/CFF-2(10x80+250)、CF-2(10x80+300)/CFF-2(10x80+300)表示。
上述方法制备出的一维光子晶体膜厚度与光学尺度相近。根据布拉格衍射，当自然光入射到碳纤维材料(碳纤维/碳纤维布)表面时，当自然光入射到碳纤维布表面时，基于一维光子晶体的微观结构，光线在碳纤维布表面上发生干涉、衍射和反射等物理现象。由于低折射率材料厚度逐渐变化，从而在同一根碳纤维上反射出两种以上且亮丽的颜色。
根据上文技术方案，优选情况下，步骤(1)中清洗和干燥具体为：将碳纤维材料先后置于丙酮和乙醇中超声清洗15-20min，取出后在60-80℃的真空干燥箱干燥6-12h。
根据上文技术方案，优选的情况下，步骤(1)中所述碳纤维材料的等离子活化处理的条件为：温度25℃，真空度55Pa，功率100W，时间30-120s。
根据上文的技术方案，优选的情况下，所述低折射率材料的金属有机物前驱体选自三甲基铝、三(二甲胺基)硅烷和双(环戊二烯基)镁中的一种，所述高折射率材料的金属有机物前驱体选自二乙基锌、四氯化钛、四(二甲氨基)钛和四(二甲氨基)锗中的一种。
根据上文的技术方案，优选的情况下，所述三甲基铝的纯度为99.999％；所述三(二甲胺基)硅烷的纯度为99.999％；所述双(环戊二烯基)镁的纯度为99.999％；所述二乙基锌的纯度为99.999％；所述四(二甲氨基)钛的纯度为99.999％；所述四(二甲氨基)锗的纯度为99.999％。
本发明从光子晶体的原理出发，在碳纤维材料表面制备出一层厚度渐变的一维光子晶体薄膜，利用低折射率前驱体的脉冲时间以一个固定的值不断增加的方式变化，在碳纤维材料表面构筑一层厚度不断变化的低折射率材料，从而制备出一种具有渐变彩虹色的碳纤维材料。本发明在摩擦牢度及水洗实验中，验证其着色层与碳纤维之间有很强的结合力。本发明扩大了彩色碳纤维的应用范围。本发明的有益效果：
(1)本发明首先解决了制备的彩色碳纤维材料颜色饱和度低、颜色不够亮丽的问题。利用一维光子晶体的原理使得彩色碳纤维呈现亮丽的渐变彩虹色。
(2)本发明其次解决了目前存在的碳纤维材料颜色单一的问题。通过在碳纤维表面上构筑出厚度变化的一维光子晶体薄膜，利用碳纤维材料不同区域的不同厚度对光线的干涉、衍射和反射产生的颜色不同，使得彩色碳纤维呈现亮丽的渐变彩虹色。
(3)本发明没有化学染料和有机溶剂参与，绿色无污染。
附图说明
图1为原子层沉积真空反应腔中的反应过程以及基于一维光子晶体渐变彩虹色碳纤维布的结构示意图。
图2为实施例4中基于一维光子晶体渐变彩虹色碳纤维布的数码照片及其反射光谱图，其中a为数码照片，b为反射光谱图。图示信息显示为CFF-2(10X80+400)结构色碳纤维布反射光谱测试依次在452nm、498nm、556nm、595nm、672nm出现反射峰，其反射峰峰值与左侧碳纤维的颜色相对应。
图3为实施例4中基于一维光子晶体渐变彩虹色碳纤维布的截面扫描电镜图，a-d分别为自下而上的碳纤维截面图，分析其微观形貌，其中暗色层为Al2O3，浅色层为ZnO，可以明显的发现暗色层逐渐变厚，由50nm逐渐增加至110nm。
图4为实施例2基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布摩擦前后的反射光谱图，图示信息显示为CFF-2(10X80+350)渐变彩虹色碳纤维布进行摩擦性能测试前后的反射光谱，反射峰位置没有发生明显改变，具有很好的抗摩擦性能。
图5为实施例2基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布水洗前后的反射光谱图，图示信息显示为CFF-2(10X80+350)渐变彩虹色碳纤维布进行水洗性能测试前后的反射光谱，反射峰位置没有发生明显改变，具有很好的抗水洗性能。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步详细阐述本发明，应当理解，实施仅用于更好的解释本发明而不限制本发明。
本发明是一种基于一维光子晶体渐变彩虹色碳纤维材料及其制备方法，该基于一维光子晶体渐变彩虹色碳纤维由两部分，包括内层的彩色碳纤维和外层的一维光子晶体薄膜。所述碳纤维材料是碳纤维或碳纤维布。所述一维光子晶体薄膜，由低折射率材料和高折射率材料自内而外交替堆叠而成其一维光子晶体薄膜的厚度逐渐变化。低折射率材料选自MgO、SiO2和Al2O3中的一种，高折射率才材料TiO2和ZnO中的一种。所述高折射率材料厚度为80-100nm，所述低折射率厚度为60-150nm，其中低折射率材料在碳纤维材料上厚度变化区间为40-60nm。通过控制一维光子晶体的厚度使其反射峰在可见光区的尺度范围内，一维光子晶体的光子晶体薄膜的微观结构对光线发生干涉和衍射使黑色碳布呈现亮丽的结构色，所述的碳纤维的反射峰位置处在380-800nm范围内，在自然光的照射下在同一碳纤维材料上呈现出紫色、蓝色、青色、绿色、黄色、橙色、红色的颜色中两种以上的颜色。
实施例1
本实施例公开一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
将碳纤维布先后通过丙酮和乙醇分别超声清洗20min，除去表面的杂质与油污，取出后放在温度为60℃的真空干燥箱中干燥6h；将干燥好的碳纤维布置于等离子清洗机中在温度为25℃、压强为56pa、功率为100w的条件下活化处理30s，通过电离空气可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳纤维布置于原子层沉积的真空反应腔中，其中反应气体由进气口到出气口穿过碳纤维布表面，如图1所示。控制真空反应腔温度为200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为2s；采用三甲基铝(TMA，99.999％)作为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体TMA，吹扫时间为2s，接着在吹扫时间不变的情况下将第一前驱体去离子水的脉冲时间和第二前驱体TMA的脉冲时间在前一个数的基础上加上0.005s；不断重复以上过程直至将第一前驱体去离子水和第二前驱体TMA的脉冲时间增加到0.06s后停止，以上过程为一个完整的循环，在碳纤维布表面上生长了一层厚度逐渐变化的低折射率Al2O3薄膜；重复此循环过程80次；在此基础上继续沉积ZnO，真空反应腔温度控制在200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.06s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为9s；采用二乙基锌(DEZ，99.999％)为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.18s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体DEZ，吹扫时间为9s。此过程为一个完整的循环，在碳纤维表面沉积了一层厚度均匀的高折射率ZnO薄膜，重复此沉积过程循环250次；至此为一个完整的周期，继续沉积第二个周期，最后制备出CFF-2(10x80+250)渐变彩虹色碳纤维布。此基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布自上而下呈现紫色、蓝色、绿色，其中在一个周期内高折射率ZnO薄膜的厚度为50nm，低折射率Al2O3薄膜的厚度从60nm到100nm变化。
实施例2
本实施例公开一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
将碳纤维布先后通过丙酮和乙醇分别超声清洗20min，除去表面的杂质与油污，取出后放在温度为60℃的真空干燥箱中干燥6h；将干燥好的碳纤维布置于等离子清洗机中在温度为25℃、压强为56pa、功率为100w的条件下活化处理30s，通过电离空气可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳纤维布置于原子层沉积的真空反应腔中，其中反应气体由进气口到出气口穿过碳纤维布表面，如图1所示。控制真空反应腔温度为200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为2s；采用三甲基铝(TMA，99.999％)作为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体TMA，吹扫时间为2s；接着在吹扫时间不变的情况下将第一前驱体去离子水的脉冲时间和第二前驱体TMA的脉冲时间在前一个数的基础上加上0.005s；不断重复以上过程直至将第一前驱体去离子水和第二前驱体TMA的脉冲时间增加到0.06s后停止，以上过程为一个完整的循环，在碳纤维布表面上生长了一层厚度逐渐变化的低折射率Al2O3薄膜；重复此循环过程80次；在此基础上继续沉积ZnO，真空反应腔温度控制在200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.06s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为9s；采用二乙基锌(DEZ，99.999％)为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.18s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体DEZ，吹扫时间为9s。此过程为一个完整的循环，在碳纤维表面沉积了一层厚度均匀的高折射率ZnO薄膜，重复此沉积过程循环300次；至此为一个完整的周期，继续沉积第二个周期，最后制备出CFF-2(10x80+300)渐变彩虹色碳纤维布。此基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布自上而下呈现蓝色、绿色、黄色，其中在一个周期内高折射率ZnO薄膜的厚度为65nm，低折射率Al2O3薄膜的厚度从60nm到100nm变化。
实施例3
本实施例公开一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
将碳纤维布先后通过丙酮和乙醇分别超声清洗20min，除去表面的杂质与油污，取出后放在温度为60℃的真空干燥箱中干燥6h；将干燥好的碳纤维布置于等离子清洗机中在温度为25℃、压强为56pa、功率为100w的条件下活化处理30s，通过电离空气可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳纤维布置于原子层沉积的真空反应腔中，其中反应气体由进气口到出气口穿过碳纤维布表面，如图1所示。控制真空反应腔温度为200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为2s；采用三甲基铝(TMA，99.999％)作为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体TMA，吹扫时间为2s，接着在吹扫时间不变的情况下将第一前驱体去离子水的脉冲时间和第二前驱体TMA的脉冲时间在前一个数的基础上加上0.005s；不断重复以上过程直至将第一前驱体去离子水和第二前驱体TMA的脉冲时间增加到0.06s后停止，以上过程为一个完整的循环，在碳纤维布表面上生长了一层厚度逐渐变化的低折射率Al2O3薄膜；重复此循环过程80次；在此基础上继续沉积ZnO，真空反应腔温度控制在200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.06s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为9s；采用二乙基锌(DEZ，99.999％)为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.18s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体DEZ，吹扫时间为9s。此过程为一个完整的循环，在碳纤维表面沉积了一层厚度均匀的高折射率薄膜，重复此沉积过程循环350次；至此为一个完整的周期，继续沉积第二个周期，最后制备出CFF-2(10x80+350)渐变彩虹色碳纤维布。此基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布自上而下呈现蓝色、绿色、黄色、橙色，其中在一个周期内高折射率ZnO薄膜的厚度为70nm，低折射率Al2O3薄膜的厚度从60nm到100nm变化。
实施例4
本实施例公开一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
方法同实施例3，但不同之处以双(环戊二烯基)镁(MgCP 2，99.999％)作为低折射率材料的第二前驱体，以去离子水作为第一前驱体反应生成MgO，将MgCP2加热到100℃脉冲进反应腔中，每个周期沉积100个循环。最后制备出CFF-2(10x100+350)渐变彩虹色碳纤维布。此基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布自上而下呈现蓝色、绿色、黄色、橙色，其中在一个周期内高折射率ZnO薄膜的厚度为70nm，低折射率MgO薄膜的厚度从60nm到140nm变化。
实施例5
本实施例公开一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
将碳纤维布先后通过丙酮和乙醇分别超声清洗20min，除去表面的杂质与油污，取出后放在温度为60℃的真空干燥箱中干燥6h；将干燥好的碳纤维布置于等离子清洗机中在温度为25℃、压强为56pa、功率为100w的条件下活化处理30s，通过电离空气可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳纤维布置于原子层沉积的真空反应腔中，其中反应气体由进气口到出气口穿过碳纤维布表面，如图1所示。控制真空反应腔温度为200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为2s；采用三甲基铝(TMA，99.999％)作为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体TMA，吹扫时间为2s，接着在吹扫时间不变的情况下将第一前驱体去离子水的脉冲时间和第二前驱体TMA的脉冲时间在前一个数的基础上加上0.005s；不断重复以上过程直至将第一前驱体去离子水和第二前驱体TMA的脉冲时间增加到0.06s后停止，以上过程为一个完整的循环，在碳纤维布表面上生长了一层厚度逐渐变化的低折射率Al2O3薄膜；重复此循环过程80次；在此基础上继续沉积ZnO，真空反应腔温度控制在200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.06s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为9s；采用二乙基锌(DEZ，99.999％)为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.18s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体DEZ，吹扫时间为9s。此过程为一个完整的循环，在碳纤维表面沉积了一层厚度均匀的高折射率ZnO薄膜，重复此沉积过程循环400次；至此为一个完整的周期，继续沉积第二个周期，最后制备出CFF-2(10x80+400)渐变彩虹色碳纤维布。此基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布自上而下呈现蓝色、绿色、黄色、红色，其中在一个周期内高折射率ZnO薄膜的厚度为90nm，低折射率Al2O3薄膜的厚度从50nm到110nm变化。
实施例6
本实施例公开一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
方法同实施例4，但是不同之处为碳纤维先后通过丙酮和乙醇分别超声清洗20min，除去表面的杂质与油污，取出后放在温度为60℃的真空干燥箱中干燥6h；将干燥好的碳纤维置于等离子清洗机中在温度为25℃、压强为56pa、功率为100w的条件下活化处理60s，通过电离空气可在碳表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳纤维置于原子层沉积的真空反应腔中，其中反应气体由进气口到出气口穿过碳纤维表面(气流方向与碳纤维的轴向平行)，如图1所示。最后制备出CF-2(10x80+400)渐变彩虹色碳纤维布。此基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布自上而下呈现蓝色、绿色、黄色、红色，其中在一个周期内高折射率ZnO薄膜的厚度为90nm，低折射率Al2O3薄膜的厚度从50nm到110nm变化。
实施例7
本实施例公开一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
将碳纤维布先后通过丙酮和乙醇分别超声清洗20min，除去表面的杂质与油污，取出后放在温度为60℃的真空干燥箱中干燥6h；将干燥好的碳纤维布置于等离子清洗机中在温度为25℃、压强为56pa、功率为100w的条件下活化处理30s，通过电离空气可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳纤维布置于原子层沉积的真空反应腔中，其中反应气体由进气口到出气口穿过碳纤维布表面，如图1所示。控制真空反应腔温度为200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为2s；采用三甲基铝(TMA，99.999％)作为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体TMA，吹扫时间为2s，接着在吹扫时间不变的情况下将第一前驱体去离子水的脉冲时间和第二前驱体TMA的脉冲时间在前一个数的基础上加上0.005s；不断重复以上过程直至将第一前驱体去离子水和第二前驱体TMA的脉冲时间增加到0.06s后停止，以上过程为一个完整的循环，在碳纤维布表面上生长了一层厚度逐渐变化的低折射率Al2O3薄膜；重复此循环过程100次；在此基础上继续沉积ZnO，真空反应腔温度控制在200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.06s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为9s；采用二乙基锌(DEZ，99.999％)为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.18s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体DEZ吹扫时间为9s。此过程为一个完整的循环，在碳纤维表面沉积了一层厚度均匀的高折射率ZnO薄膜，重复此沉积过程循环300次；至此为一个完整的周期，继续沉积第二个周期，最后制备出CFF-2(10x100+300)渐变彩虹色碳纤维布。此基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布自上而下呈现青色、绿色、黄色、橙色，其中在一个周期内高折射率ZnO薄膜的厚度为65nm，低折射率Al2O3薄膜的厚度从70nm到120nm变化。
实施例8
本实施例公开一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
将碳纤维布先后通过丙酮和乙醇分别超声清洗20min，除去表面的杂质与油污，取出后放在温度为60℃的真空干燥箱中干燥6h；将干燥好的碳纤维布置于等离子清洗机中在温度为25℃、压强为56pa、功率为100w的条件下活化处理30s，通过电离空气可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳纤维布置于原子层沉积的真空反应腔中，其中反应气体由进气口到出气口穿过碳纤维布表面，如图1所示。控制真空反应腔温度为200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为2s；采用三甲基铝(TMA，99.999％)作为第二前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体TMA，吹扫时间为2s，接着在吹扫时间不变的情况下将第一前驱体去离子水的脉冲时间和第二前驱体TMA的脉冲时间在前一个数的基础上加上0.005s；不断重复以上过程直至将第一前驱体去离子水和第二前驱体TMA的脉冲时间增加到0.06s后停止，以上过程为一个完整的循环，在碳纤维布表面上生长了一层厚度逐渐变化的低折射率Al2O3薄膜；重复此循环过程80次；在此基础上继续沉积TiO2，真空反应腔温度控制在200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.06s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为9s；采用四(二甲氨基)钛(TDMAT，99.99％)为第二前驱体，将其加热至75℃后，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.4s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体TDMAT，吹扫时间为10s。此过程为一个完整的循环，在碳纤维表面沉积了一层厚度均匀的高折射率TiO2薄膜，重复此沉积过程循环300次；至此为一个完整的周期，继续沉积第二个周期，最后制备出CFF-2(10x80+300)渐变彩虹色碳纤维布。此基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布自上而下呈现蓝色、绿色、青色，其中在一个周期内高折射率ZnO薄膜的厚度为63nm，低折射率TiO2薄膜的厚度从50nm到100nm变化。
实施例9
本实施例公开一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，具体如下：
将碳纤维布先后通过丙酮和乙醇分别超声清洗20min，除去表面的杂质与油污，取出后放在温度为60℃的真空干燥箱中干燥6h；将干燥好的碳纤维布置于等离子清洗机中在温度为25℃、压强为56pa、功率为100w的条件下活化处理30s，通过电离空气可在碳布表面引入-OH、-COOH、-NH3等活性基团；将处理后的碳纤维布置于原子层沉积的真空反应腔中，其中反应气体由进气口到出气口穿过碳纤维布表面，如图1所示。控制真空反应腔温度为200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.015s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为2s；采用三(二甲胺基)硅烷的(TDMAS，99.999％)作为第二前驱体，将其加热到75℃以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.15s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体三(二甲胺基)硅烷，吹扫时间为2s，接着在吹扫时间不变的情况下将第一前驱体去离子水的脉冲时间和第二前驱体TDMAS的脉冲时间在前一个数的基础上加上0.05s；不断重复以上过程直至将第一前驱体去离子水和第二前驱体TDMAS的脉冲时间增加到0.6s后停止，以上过程为一个完整的循环，在碳纤维布表面上生长了一层厚度逐渐变化的低折射率SiO2薄膜；重复此循环过程80次；在此基础上继续沉积GeO2，真空反应腔温度控制在200℃，压强为3E-1torr，以纯度为99.999％的高纯氮气为载气，流量控制在20sccm；去离子水作为第一前驱体，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为3s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体去离子水，吹扫时间为6s；采用四(二甲氨基)锗(TDMAGe，99.99％)为第二前驱体，将其加热至80℃后，以蒸汽的形式通过温度为150℃的进气管道脉冲进入真空反应腔室，脉冲时间为0.1s；接着用纯度为99.999％的高纯氮气吹扫多余的前驱体TDMAGe，吹扫时间为6s。此过程为一个完整的循环，在碳纤维表面沉积了一层厚度均匀的高折射率GeO2薄膜，重复此沉积过程循环300次；至此为一个完整的周期，继续沉积第二个周期，最后制备出CFF-2(10x80+300)渐变彩虹色碳纤维布。此基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维布自上而下呈现蓝色、绿色、青色，其中在一个周期内高折射率SiO2薄膜的厚度为60nm，低折射率GeO2薄膜的厚度从55nm到104nm变化。

Claims (7)

1.一种基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料，其特征在于，所述基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料包括内层的碳纤维和包裹在碳纤维表面的厚度渐变的一维光子晶体薄膜，所述的厚度渐变的一维光子晶体薄膜由低折射率材料和高折射率材料自内向外层层堆叠形成周期性排布的微观结构，并且高折射率材料的厚度相同，低折射率材料的厚度逐渐变化；
所述碳纤维材料为碳纤维或碳纤维布；
所述的基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料的制备方法，按以下步骤进行：
（1）将碳纤维材料依次用丙酮和乙醇清洗后，再进行干燥，将处理后的碳纤维材料置于等离子清洗机中进行表面活化处理；
（2）将经步骤（1）处理后的碳纤维材料置于原子层沉积的真空反应腔中，其中反应气体由进气口到出气口穿过碳纤维材料表面；
（3）真空反应腔温度控制为150-200 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量控制在20 sccm；采用水作为第一前驱体，将其以蒸汽的形式通过温度为150 ℃进气口管道脉冲进入真空反应腔，脉冲时间为0.015-0.2 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫，吹扫时间为2-10s；采用低折射率材料的金属有机物作为第二前驱体，将其以蒸汽的形式通过温度为150 ℃的进气管道通入真空反应腔中，脉冲时间为0.015-0.2 s；接着再用纯度99.999%的高纯度氮气，吹扫2-10 s；此过程为一个循环，在碳纤维材料表面沉积了一层低折射率材料；
（4）将沉积过程中的第一前驱体和第二前驱体的脉冲时间在前一次数值的基础上增加0.003-0.1 s之后重复步骤（3）；
（5）重复步骤（4）直至第一前驱体和第二前驱体的脉冲时间为0.06-1 s时停止；
（6）按照步骤（3）-（5）所述方法重复此沉积循环80-150次；
（7）继续在步骤（6）的基础上沉积，真空反应腔温度控制为150-200 ℃，以纯度为99.999%的高纯氮气作为载气，流量控制在20 sccm；采用水作为第一前驱体，将其以蒸汽的形式通过温度为150 ℃进气口管道脉冲进入真空反应腔，脉冲时间为0.05-3 s；接着用纯度为99.999%的高纯氮气吹扫，吹扫时间为2-10s；采用高折射率材料的金属有机物作为第二前驱体，将其以蒸汽的形式通过温度为150 ℃的进气管道通入真空反应腔中，脉冲时间为0.06-3s；接着再用纯度99.999%的高纯度氮气，吹扫2-10 s；此过程为一个完整的循环，在碳纤维材料表面沉积了一层高折射率材料；
（8）按照步骤（7）所述的方法重复此沉积循环200-500次；
（9）步骤（3）-（8）为一个完整的周期，按照步骤（3）-（8）所述方法沉积第二个周期，得到基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料。
2.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料，其特征在于，所述高折射率材料选自GeO2、TiO2和ZnO中的一种，所述低折射率材料选自MgO、SiO2和Al2O3中的一种。
3.根据权利要求2所述的基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料其特征在于：所述高折射率材料的厚度为40-100 nm，所述低折射率的厚度为40-150 nm，其中低折射率材料的厚度差为30-110 nm。
4.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料，其特征在于，步骤（1）中清洗和干燥具体为：将碳纤维材料先后置于丙酮和乙醇中分别超声清洗15-20min，取出后在60-80 ℃的真空干燥箱干燥6 -12h。
5.根据权利要求1所述基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料，其特征在于，步骤（1）中所述碳纤维材料的等离子活化处理的条件为：温度25 ℃，真空度55 Pa，功率100 W，时间 30-120 s。
6.根据权利要求1所述的基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料，其特征在于，所述低折射率材料的金属有机物前驱体选自三甲基铝、三(二甲胺基)硅烷和双（环戊二烯基）镁中的一种，所述高折射率材料的金属有机物前驱体选自二乙基锌、四氯化钛、四（二甲氨基）钛和四（二甲氨基）锗中的一种。
7.根据权利要求6所述的基于一维光子晶体的渐变彩虹色碳纤维材料，其特征在于，所述三甲基铝的纯度为99.999%，所述三(二甲胺基)硅烷的纯度为99.999%，所述双（环戊二烯基）镁的纯度为99.999%；所述二乙基锌的纯度为99.999%，所述四（二甲氨基）钛的纯度为99.999%；所述四（二甲氨基）锗的纯度为99.999%。
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