光功能復(fù)合材料是具有光學(xué)或光電功能特性的復(fù)合材料，它可以由具有光功能特性的功能體與普通基體或具有光功能特性的基體復(fù)合而成。光與固體材料相互作用時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電子極化或者電子能態(tài)轉(zhuǎn)變，發(fā)生透射、反射、散射和吸收等過程，導(dǎo)致材料的光學(xué)性能發(fā)生變化。其中研究和應(yīng)用較為廣泛的有透光功能復(fù)合材料、電致發(fā)光功能復(fù)合材料、電致變色功能復(fù)合材料和光電轉(zhuǎn)換功能復(fù)合材料等。由于功能特性不同，所涉及的光功能組分及其基體也有不同。

隨著世界各國對環(huán)境保護(hù)的重視以及人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，發(fā)展長壽命、低成本、良好的環(huán)境親和性的高性能智能材料已是大勢所趨，開發(fā)具有采光、調(diào)光、聚光、蓄光、光電轉(zhuǎn)換、熱電轉(zhuǎn)換等多種功能/智能特性的新型光功能復(fù)合材料將成為重要研究方向之一。

一、透光

透光功能復(fù)合材料主要指玻璃纖維增強(qiáng)透明基體的復(fù)合材料，其透明基體可以是透明的聚合物、玻璃、單晶或玻璃陶瓷等。其中，透明的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料按樹脂種類可分為不飽和聚酯、丙烯酸酯類樹脂等；按纖維種類可分為玻璃纖維氈（各向同性）、單向布或無捻方格布（各向異性）等。常用的采光制品可以分為三類：（1）平板及波形板；（2）夾層結(jié)構(gòu)采光板；（3）殼體結(jié)構(gòu)采光罩。

設(shè)計(jì)高性能透光功能復(fù)合材料的關(guān)鍵之一是控制復(fù)合材料中各組分的散射強(qiáng)度。散射是發(fā)生在材料內(nèi)部折射率改變的界面上的光反射。這些界面包括材料內(nèi)部的相界面、表面、裂紋等。材料中的雜質(zhì)和組分波動(dòng)亦是產(chǎn)生散射的重要原因之一。散射除會(huì)導(dǎo)致光損耗外，還對復(fù)合材料的透明性產(chǎn)生重要影響。

透光復(fù)合材料的設(shè)計(jì)主要需滿足光學(xué)性能要求，因此一般需考慮以下幾點(diǎn)：（1）通過匹配光功能復(fù)合材料各個(gè)組分的折射率可以獲得高透明性，組分折射率越接近，透明性越好；（2）減少復(fù)合材料中各相粒子尺寸至100nm以下，也能使復(fù)合材料接近透明；（3）復(fù)合材料成型加工過程中產(chǎn)生的取向及各向異性，將會(huì)明顯改變折射率，從而對復(fù)合材料的光學(xué)透明性或其他光學(xué)性能產(chǎn)生不利影響；（4）光功能復(fù)合材料應(yīng)盡量避免雜質(zhì)摻入。其驗(yàn)證主要是測試其透光率是否滿足要求，其次再考慮其力學(xué)性能及其他性能（如耐老化性能）。

透光功能復(fù)合材料是一種非均質(zhì)透光材料，結(jié)合了透光材料和結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)，具有比普通玻璃更優(yōu)異的力學(xué)性能，可以制成各種采光制品，代替玻璃等普通采光材料，除大量用于溫室頂板外，也可用于建筑物采光、工業(yè)防護(hù)罩、照明燈具擋板等，但需要改善其阻燃性能。因此如何使樹脂基體的光學(xué)性能與玻璃纖維相匹配，同時(shí)兼顧復(fù)合材料的力學(xué)性能、阻燃性、耐老化性、色澤等其他性能是其研究方向之一。

二、電致發(fā)光

電致發(fā)光功能復(fù)合材料是在電激發(fā)作用下能發(fā)光的復(fù)合材料。電致發(fā)光功能復(fù)合材料一般屬于激活型的摻雜發(fā)光材料，即有選擇地在基質(zhì)中摻入激活劑的發(fā)光材料，是一類非常重要的發(fā)光材料。電致發(fā)光功能復(fù)合材料主要包括無機(jī)發(fā)光復(fù)合材料、有機(jī)發(fā)光復(fù)合材料及有機(jī)-無機(jī)復(fù)合發(fā)光材料等。

無機(jī)發(fā)光復(fù)合材料是發(fā)展比較成熟的一類發(fā)光材料。常見的無機(jī)發(fā)光復(fù)合材料是以堿土金屬的氧化物、硫化物、鋁酸鹽、硅酸鹽等作為發(fā)光基質(zhì)，以稀土鑭系元素作為激活劑和助激活劑。有機(jī)發(fā)光復(fù)合材料通常指在聚合物基體中摻雜或鍵入有機(jī)發(fā)光染料的材料。而共軛聚合物復(fù)合材料制備的電致發(fā)光器件由于優(yōu)異的加工性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等受到廣泛關(guān)注。有機(jī)發(fā)光復(fù)合材料在器件制備工藝、材料成本、多色和全色顯示、器件面積等方面具有無機(jī)材料不可比擬的優(yōu)越性，成為制備大面積、低成本、全色柔性顯示器件的首選材料之一。

有機(jī)-無機(jī)復(fù)合發(fā)光材料主要是指將無機(jī)激活劑或有機(jī)-無機(jī)配合激活劑摻入有機(jī)基體中或?qū)⒂袡C(jī)-無機(jī)配合激活劑摻入無機(jī)基體中的發(fā)光材料。這類材料中以稀土有機(jī)絡(luò)合物摻雜聚合物或玻璃基體兩類發(fā)光材料為主。

三、電致變色

電致變色功能復(fù)合材料在電壓作用下會(huì)發(fā)生物理或者化學(xué)結(jié)構(gòu)變化，實(shí)現(xiàn)在可見光、紅外和微波等不同范圍內(nèi)對透過率、反射率、吸收率和發(fā)射率的調(diào)節(jié)，從而出現(xiàn)可逆的顏色、吸收光譜變化，因此可以作為信息顯示器件、電致變色智能窗、無眩反光鏡、電色儲(chǔ)存器件等。

電致變色組分包括無機(jī)和有機(jī)兩大類，無機(jī)電致變色材料的典型代表是三氧化鎢（WO₃），以WO₃為功能材料的電致變色器件已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，并應(yīng)用到波音787飛機(jī)舷窗等領(lǐng)域。而有機(jī)電致變色材料主要有聚苯胺、聚噻吩及其衍生物、紫羅精類、金屬酞菁類化合物等。以紫羅精類為功能材料的電致變色材料也已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。而多層和多組分的電致變色復(fù)合材料則可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，獲得性能更好、壽命更長的器件，廣泛應(yīng)用到建筑、汽車、電子、航空航天等領(lǐng)域。

圖1 用于建筑、汽車、柔性顯示和航空航天領(lǐng)域的電致變色功能復(fù)合材料制品

四、光電轉(zhuǎn)換

具有光電特性的復(fù)合材料是重要的信息功能材料，它能把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺梢杂糜谥谱魈柲茈姵亍⒐鈾z測器、生物傳感器和場效應(yīng)晶體管等。

聚合物具有易加工成型、價(jià)格低廉、且結(jié)構(gòu)及物理性質(zhì)通過化學(xué)修飾可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。但是由于大部分的共軛聚合物為空穴傳輸型聚合物，其電導(dǎo)率很低。通過與無機(jī)或有機(jī)納米材料復(fù)合，使兩者能夠在功能上互補(bǔ)，可以獲得性能更加優(yōu)異的光電功能復(fù)合材料。比如研究者們將很多具有優(yōu)良的光電轉(zhuǎn)換性能的p-型半導(dǎo)體納米晶如TiO₂、ZnO、CdSe等與聚合物如PPV及其衍生物復(fù)合制備成薄膜及相應(yīng)光電子器件，表現(xiàn)出較好的性能及較高的能量轉(zhuǎn)換效率，在性能上已經(jīng)接近非晶硅材料制成的器件。這種綜合有機(jī)聚合物與無機(jī)材料特性的光電轉(zhuǎn)換功能復(fù)合材料制成的發(fā)光二極管、光伏電池、晶體管、光導(dǎo)體等可以應(yīng)用到平板顯示、激光打印、照明光源等，在醫(yī)療、電子、國防和航空航天等領(lǐng)域有很好的前景。

圖2 光電轉(zhuǎn)換功能復(fù)合材料用于電池和照明的結(jié)構(gòu)示意圖 

五、成本效益分析

光功能復(fù)合材料可以應(yīng)用到工業(yè)和民用各個(gè)領(lǐng)域中，特別是在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用價(jià)值。比如太陽光的利用和防護(hù)可以應(yīng)用到生活和工業(yè)中的方方面面，因此，光功能復(fù)合材料具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值，受到廣泛關(guān)注。比如，透光功能復(fù)合材料是一種非均質(zhì)透光材料，結(jié)合了透光材料和結(jié)構(gòu)材料的特點(diǎn)，性能優(yōu)異，可以制成各種采光制品，代替玻璃等普通采光材料，除大量用于溫室頂板外，也可用于建筑物采光、工業(yè)防護(hù)罩、照明燈具擋板等，具有比普通玻璃更優(yōu)異的力學(xué)性能。電致變色復(fù)合材料可以應(yīng)用到智能窗和汽車后視鏡等，可以使建筑物和汽車更加節(jié)能、環(huán)保和安全。光電轉(zhuǎn)換功能復(fù)合材料則可以將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，可以解決人類日益嚴(yán)重的能源短缺的問題。因此光功能復(fù)合材料具有非常廣泛的應(yīng)用前景，在生活和生產(chǎn)方面受益巨大。

以太陽能電池為例，近年來的太陽能電池技術(shù)取得了很大進(jìn)展，很可能成為未來的主要電力來源之一。截至2010年 12月31日，關(guān)于太陽能電池及其組件的專利達(dá)到5536件，中國達(dá)到3936件，占世界專利總數(shù)的71%。截至2012年底，全球光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)100GW(1GW=100萬kW)。據(jù)美國電氣與天然氣工業(yè)協(xié)會(huì)預(yù)測，2020年全球太陽能電池產(chǎn)量將達(dá)到80~160 GW，年均增長速度達(dá)25%。

六、應(yīng)用案例---電致變色智能窗

據(jù)資料顯示，我國既有的約400億m²城鄉(xiāng)建筑中，99%為高能耗建筑；新建的幾十億平方米建筑中，95%以上仍為高能耗建筑，它們的單位建筑面積采暖能耗，相當(dāng)于氣候條件相近的發(fā)達(dá)國家節(jié)能建筑的2倍～3倍。而智能窗的光學(xué)性能和輻射能可以隨需要不同而變化，從而獲得最好的采光特性，并降低能量損耗。

電致變色智能窗的工作原理如下：隨環(huán)境光強(qiáng)變化，電致變色材料可通過調(diào)節(jié)電壓實(shí)現(xiàn)褪色態(tài)和著色態(tài)的快速轉(zhuǎn)變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對光量的調(diào)節(jié)。較弱光線時(shí)的智能窗為褪色態(tài)，較強(qiáng)光線時(shí)的智能窗為著色態(tài)。電致變色智能窗具有節(jié)能高效等優(yōu)點(diǎn)，被稱作“太陽能空調(diào)”。三氧化鎢是用于智能窗的典型電致變色材料。使用WO₃作為電致變色層，通過離子的注入和抽出，可以實(shí)現(xiàn)智能窗在透明態(tài)到深藍(lán)色到透明態(tài)的可逆變化過程。

而導(dǎo)電聚合物如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等制備工藝簡單、原料易得，且具有較高的對比度和著色效率，響應(yīng)時(shí)間短，更重要的是這些聚合物及其復(fù)合材料如聚苯胺可以隨著不同氧化態(tài)之間的轉(zhuǎn)變顯示出淡黃色、黃綠色、綠色、藍(lán)綠色、藍(lán)色等多種顏色，同時(shí)還具有易加工、易質(zhì)子酸摻雜、顏色變化豐富及良好的環(huán)境穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此有望應(yīng)用到將來的電致變色智能窗中。

圖3 電致變色器件結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 用于波音787飛機(jī)舷窗和建筑玻璃的電致變色智能窗