電致變色材料研究及發(fā)展現(xiàn)狀

李帥 李心雨 劉丹丹 劉佳鑫 汪仁智 郭準(zhǔn)

摘 要：近年來，電致變色技術(shù)這一新興的光電顯示技術(shù)被應(yīng)用在變色智能窗、汽車自動(dòng)防眩后視鏡、電致變色眼睛、智能卡、戶外廣告等領(lǐng)域。其指材料的光學(xué)屬性在外加電場(chǎng)的作用下呈現(xiàn)出可逆的光學(xué)性能轉(zhuǎn)換特征。本文首先介紹電致變色的概況，其次介紹電致變色材料的應(yīng)用領(lǐng)域，最后分析其當(dāng)前在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)存在的問題，以更清晰的認(rèn)清電致變色材料的發(fā)展現(xiàn)狀，促進(jìn)電致變色材料更廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：電致變色材料;研究;發(fā)展現(xiàn)狀

電致變色指的是一些材料在外加電壓或者電流的作用下，在雙重注入或抽取下發(fā)生氧化還原點(diǎn)現(xiàn)象。材料的反射率、透過率、吸收率等光學(xué)屬性，在外加電場(chǎng)的作用下形成色心或者產(chǎn)生帶顏色的化合物，表現(xiàn)在外觀上為顏色和透明度的可逆變化。電致變色材料憑借這一特點(diǎn)，成為一典型的智能材料，因?yàn)榫哂兄圃斐杀镜?、工作溫度范圍廣及色彩豐富等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在智能汽車、智能人居等領(lǐng)域。

一、電致變色材料的概況

（一）電致變色材料的分類

電致變色概念由國(guó)外學(xué)者Plant在20世紀(jì)60年代提出，并受到世界各國(guó)度關(guān)注，并在實(shí)際應(yīng)用投入大量人力物力進(jìn)行研究。電致變色材料分為兩類：一個(gè)是無機(jī)電致變色材料，另一個(gè)是有機(jī)電致變色材料。

無機(jī)電致變色材料主要包括：三氧化鎢、五氧化二釩、氧化鎳、二氧化鈦等，其中部分無機(jī)電致變色材料目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

有機(jī)電致變色材料主要分為兩大類：有機(jī)小分子電致變色材料、高分子電致變色材料。前者又包括紫精類化合物、三苯胺以及衍生物等，這些化合物在電極表面及溶液中會(huì)改變顏色。后者高分子也是一種重要的電致變色材料，形式和顏色相對(duì)豐富。

在電致變色材料中，有機(jī)電致變色材料具有變色速度快、記憶效應(yīng)強(qiáng)、耗能低、顏色多樣性及不同狀態(tài)下的透過率差值高等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)于電致變色材料的研究，全世界給予高度關(guān)注，并且這一課題研究逐年增加，特別是具有柔和性的聚合物電致變色材料，因?yàn)橛兄鴱V闊的應(yīng)用前景，也成為研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。

（二）電致變色器件

電致變色器件指的是運(yùn)用電致變色材料做成的器件，具有雙穩(wěn)態(tài)、是較大，無視覺盲點(diǎn)、顯示清晰鮮明、對(duì)比度高、制作成本低及驅(qū)動(dòng)電壓低等優(yōu)點(diǎn)。目前電致變色器件主要按照結(jié)構(gòu)分類，分為溶液型電致變色器件、半溶液型電致變色期間及固態(tài)電致變色器件三類。

關(guān)于評(píng)價(jià)電致變色器件性能的標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)變色反差、變色效率、開關(guān)速度、穩(wěn)定性及光學(xué)記憶五個(gè)指標(biāo)。電致變色器件主要具有透射可調(diào)、反射可調(diào)、信息可調(diào)及輻射可調(diào)等功能，相對(duì)應(yīng)的器件應(yīng)用分為節(jié)能智能窗、汽車防眩后視鏡、電致變色顯示器及電磁輻射屏蔽器等。

二、電致變色材料的應(yīng)用領(lǐng)域

電致變色器件通過透射和反射兩個(gè)工作模式在日常應(yīng)用日益提升，關(guān)于電致變色器件的專利也與日俱增，不過對(duì)于投資者而言，如何實(shí)現(xiàn)電致變色限制期間的大規(guī)模生產(chǎn)和高性能，依然是重中之重。關(guān)于電致變色器件的應(yīng)用領(lǐng)域，主要還是由電致變色材料的特性決定和影響。

（一）電致變色汽車后視鏡

電致變色汽車后視鏡，是采用無眩光反射鏡，后視鏡在反射模式下運(yùn)行，一個(gè)是防止太陽光的反射，另一個(gè)是汽車夜間行駛中避免車輛燈光從后視鏡反射炫目的光。目前大多數(shù)品牌汽車都采用了電致變色鏡。用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況選擇合適的反射率，增加出行的安全性。

電致變色器件將粘性電解液注入導(dǎo)電玻璃和反射鏡之間，在通過電致變色層市價(jià)低電壓，進(jìn)而通過改變電致變色層的光吸收來調(diào)節(jié)反射器的反射特性，從而達(dá)到智能調(diào)節(jié)鏡子的反射亮度的效果。

（二）建筑物和飛機(jī)的電致變色窗

智能窗這一概念在1985年提出，主要就是為了代表說明透過率可調(diào)的電致變色窗。智能窗具有既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的優(yōu)點(diǎn)，在建筑物或者飛機(jī)等處的應(yīng)用，有效避免太陽輻射照進(jìn)房間或者艙內(nèi)。智能窗的應(yīng)用原理，主要就是借助電致變色玻璃的著色程度來調(diào)節(jié)室內(nèi)的日照強(qiáng)度。例如，由瑞典開發(fā)和應(yīng)用的電致變色玻璃，主要用于汽車天窗、摩托車安全帽、辦公室玻璃等，其中藍(lán)色調(diào)的電致變色窗備受上班族的青睞。

（三）太陽鏡和護(hù)目鏡

上世紀(jì)90年代，日本東京尼康公司率先應(yīng)用電致變色鏡片，采用氧化物電致變色材料率先調(diào)節(jié)光線的強(qiáng)度。通常太陽鏡對(duì)紫外線格外敏感，一旦遇到強(qiáng)光，鏡片會(huì)自動(dòng)變暗。不過，鏡片顏色根據(jù)光想強(qiáng)度自行調(diào)節(jié)的速度過慢，電致變色鏡片的應(yīng)用將變暗時(shí)間從30-60s降低到9s，恢復(fù)透明時(shí)間從20min降低到4s。大大方便用戶，只要通過鏡片兩側(cè)的微型按鈕操作，佩戴者就可以根據(jù)實(shí)際需要或者個(gè)人喜好自如調(diào)節(jié)光的強(qiáng)度。

（四）光調(diào)制器和光閘

電致變色材料除了用于顯示器和窗戶外，還被應(yīng)用于光閘或者光調(diào)制器。主要安裝在激光發(fā)射器的前端，發(fā)揮過濾器的作用。通過褪色態(tài)和著色態(tài)度切換，對(duì)特定波長(zhǎng)的激光進(jìn)行過濾或者補(bǔ)增加強(qiáng)。

（五）電致變色紙

電致變色紙將電致變色材料嵌入特定的紙張中，通過切換著色態(tài)或者透過態(tài)，實(shí)現(xiàn)紙張的重復(fù)應(yīng)用。電致變色紙最早是在1989年發(fā)明，屬于一種基于紫精化合物的顯示器件。

（六）傳感器和分析領(lǐng)域

通過電致變色材料的特性，可是實(shí)現(xiàn)對(duì)特定物質(zhì)的分析。基于四氧化三鈷，Shimizu等人發(fā)明制作成傳感器，分為電機(jī)層、電致變色層及磷酸根離子等。傳感率的透過率由[HPO4]2-的濃度決定，其充足的條件下四氧化三鈷就會(huì)轉(zhuǎn)化為著色態(tài)，反之就變?yōu)橥高^態(tài)。

此外，電致變色還可以用于信用卡、優(yōu)惠券、門票及現(xiàn)金點(diǎn)鈔機(jī)等。溫控電致變色器件還可以用于冰箱通過對(duì)電致變色的速率和有害細(xì)菌大量繁殖的速率之間的關(guān)系，顯示食品的安全性。

三、電致變色材料在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)應(yīng)用存在的問題

當(dāng)前，電致變色材料屬于最具應(yīng)用前景的智能材料，特別是近年來，越來越多的電致變色器件被人們發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。除了上述這些應(yīng)用番外，電致變色材料還被應(yīng)用在軍事偽裝和攝像器材等領(lǐng)域，從商業(yè)角度來看，最具市場(chǎng)前景的就是導(dǎo)電聚合物材料。

當(dāng)前關(guān)于電致材料的市場(chǎng)狀況，國(guó)外企業(yè)對(duì)電致變色材料主要致力于穩(wěn)定持久和高性能的節(jié)能型電致變色玻璃、智能變色材料和智能變色技術(shù)的研究。相對(duì)國(guó)外企業(yè)，國(guó)內(nèi)電致變色企業(yè)存在電致變色材料單一、缺少自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、產(chǎn)品種類當(dāng)以等問題，極大的限制企業(yè)發(fā)展和國(guó)際市場(chǎng)的開發(fā)。對(duì)此，企業(yè)可以與高校和相關(guān)研究單位開展長(zhǎng)期合作，加強(qiáng)新產(chǎn)品的研發(fā)力度，推動(dòng)產(chǎn)品的更新，同時(shí)針對(duì)市場(chǎng)需求，有針對(duì)性的開發(fā)具有商業(yè)價(jià)值的電致變色材料。

四、結(jié)論

綜上可見，電致變色材料屬于新興的智能材料，在建筑節(jié)能方面有著廣闊的市場(chǎng)前景。本文從電致變色材料的分類、應(yīng)用領(lǐng)域及市場(chǎng)問題分析當(dāng)前研究現(xiàn)狀，通過分析中國(guó)電致變色行業(yè)發(fā)展具有的資源和條件，以深入了解消費(fèi)者和市場(chǎng)的需求，更好的開發(fā)更符合市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的電致變色產(chǎn)品。

[參考文獻(xiàn)]

[1]苑曉， 賀澤民， 張?zhí)m英等.《電致變色材料研究及發(fā)展現(xiàn)狀[J]》. 《新材料產(chǎn)業(yè)》.2014（5）：14-18

[2]周鼎. 氧化鎢基電致變色材料可控制備及其性能改善[D]. 2016

[3]方成， 汪洪， 施思齊. 氧化鎢電致變色性能的研究進(jìn)展[J]. 物理學(xué)報(bào)， 2016， 65（16）：1-13.

[4]劉君， 熊黨生. 無機(jī)電致變色薄膜的應(yīng)用研究進(jìn)展[C]// 2014中國(guó)功能材料科技與產(chǎn)業(yè)高層論壇. 2014年8月26日

[5]馬董云. 智能窗用有機(jī)/無機(jī)電致變色薄膜的結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控及器件設(shè)計(jì)[D]. 東華大學(xué)， 2013

[6]范亞茹.《具有自修復(fù)功能的電致變色材料及器件研究》.《電子科技大學(xué)》.2017年

西京學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目 項(xiàng)目編號(hào)127152019097

（作者單位：西京學(xué)院理學(xué)院，陜西 西安 710123）