Page 98 - 《精细化工》2022年第9期
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·1816· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷
由图 2b 可知，PDMS 已完全填充在 SiO 2 三维 （厚度约为 14.97 μm）构成，其中，SiO 2 /PDMS 层
蛋白石光子晶体的间隙中。除微观结构的变化外， 指填充介质为 PDMS 弹性体的 SiO 2 三维蛋白石光子
PDMS 的填充使薄膜的光学性质发生变化。图 2c 为 晶体阵列。PDMS 已完全填充在 SiO 2 胶体阵列的间
组装在 PDMS 基底上的 SiO 2 三维蛋白石光子晶体层 隙中，PDMS 层与 SiO 2 /PDMS 光子晶体层的边界
的数码照片和反射光谱，其颜色为绿色，且最大反射 处无明显缝隙，且 SiO 2 /PDMS 光子晶体层内部不
波长位于 520 nm，反射率为 92.5%。图 2d 为 存在孔隙和裂纹，表明光子晶体薄膜内部是连续
PDMS/SiO 2 /PDMS 光子晶体薄膜的反射光谱和数码 的，赋予光子晶体薄膜良好的力学性能。通过控制
照片，从其插图可知，PDMS 的渗入使薄膜由绿色 PDMS 前驱体溶液的添加量可以实现 PDMS 层厚
转变为高度无色透明状态，可清晰看到背景纸中的 度的改变。从 SiO 2 /PDMS 层的局部放大图（图 3b）
“Photonic crystals”字样。这是由于 PDMS 和 SiO 2 可以看出，PDMS 的渗入对 SiO 2 胶体阵列无明显
具有相似的折射率（n） [15-16] （n PDMS =1.43、n SiO2 = 影响，SiO 2 /PDMS 层仍保持长程有序的光子晶体
1.46），光子晶体薄膜内 SiO 2 胶体阵列的间隙完全被 结构。
PDMS 填充后形成了均匀的介质膜，从而具有良好 图 4 为光子晶体薄膜的应力-应变曲线。
的透光性。此外，光子晶体薄膜在 586 nm 处具有最
大的反射峰，且反射率为 8.0%，相比于 PDMS 填充
前 SiO 2 三维蛋白石光子晶体层的最大反射波长红移
了 66 nm。该现象是因为光子晶体薄膜中的 SiO 2 胶
体阵列间隙的空气（n 空气=1）完全被 PDMS 替代，
体系有效折射率增大，根据布拉格衍射公式 =
2ndsin（其中， 为反射光波长，nm；n 为有效折
射率；d 为晶格间距，nm；θ 为光的入射角，°） [17] ，
光子带隙向长波方向移动，而体系内部折射率匹配
度增加，使反射率降低。这种具有隐蔽性光学信号的
无色透明薄膜是一种理想的防伪材料。
图 4 PDMS 薄膜和光子晶体薄膜的应力-应变曲线
图 3 为光子晶体薄膜的截面 SEM 图。 Fig. 4 Stress-strain curves of PDMS film and photonic crystal
film
由图 4 可知，同厚度 PDMS 薄膜的拉伸强度约为
2.25 MPa，断裂应变为 107%。PDMS/SiO 2 /PDMS
薄膜的断裂应变由 107%减小到 104%，拉伸强度减
小至 1.55 MPa。其原因是光子晶体薄膜中嵌入 SiO 2
三维蛋白石光子晶体层后，PDMS 薄膜内部产生缺
陷，导致所得的光子晶体薄膜拉伸强度和断裂应变
略低于 PDMS 薄膜，但相差甚微，光子晶体薄膜仍
保持良好的力学性能。
2.2 透明光子晶体薄膜的力致变色性能
在拉伸过程中，透明光子晶体薄膜会显现动态
可逆的结构色变化，其力致变色过程如图 5a 所示。
由图 5a 可知，光子晶体薄膜拉伸前呈现无色透明，
施加拉力后，显现出明亮的结构色，且随着拉伸量
的逐渐增加（拉伸应变分别为 10%、20%、30%、
40%、50%、60%），薄膜依次转变为绿色、青蓝色
和蓝色。为了进一步确定薄膜的反射波长与拉伸应
图 3 光子晶体薄膜的截面 SEM 图（a）及局部放大图（b） 变之间的关系，对不同应变的光子晶体薄膜进行了
Fig. 3 SEM image of cross-section of photonic crystal film
(a) and its partially enlarged image (b) 反射光谱的测试，结果见图 5b。由图 5b 可知，随
拉伸应变增加到 60%，薄膜的最大反射峰波长蓝移
由图 3a 可知，光子晶体薄膜具有明显的三明治 115 nm，且薄膜的反射率逐渐增大。图 5c 为薄膜施
结构，由两层纯 PDMS 和一层 SiO 2 /PDMS 复合材料 加拉力-撤销拉力的反射光谱变化瀑布图，结果表
