一种可实现光热调配的复合材料及其制备方法与应用
阅读说明：本技术 一种可实现光热调配的复合材料及其制备方法与应用 (Composite material capable of realizing photo-thermal blending and preparation method and application thereof ) 是由 赵芮 康振辉 王大磊 董彬 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可实现光热调配的复合材料及其制备方法与应用,其制备方法包括方法(1)或方法(2)：方法(1)是将第一碳质材料和第一非碳质材料加至水中,直接混合或加入氧化剂混合,混合后超声、离心、洗涤,取出沉淀物,干燥后得到复合材料；方法(2)是将第二碳质材料和第二非碳质材料研磨后得到一种光热复合材料。上述制备方法简单,反应物种类多,相对成本低且制备得到的复合材料在激光的照射下可实现瞬间定点发光、发热,可通过调控材料的种类、含量以及激光强度调节发光的强度、时间以及产生的温度。此外,其中碳质材料-二氧化钛复合材料可实现定向发光,在投影、目标照明等方面具有应用潜能。(The invention discloses a composite material capable of realizing photo-thermal blending and a preparation method and application thereof, wherein the preparation method comprises a method (1) or a method (2): adding a first carbonaceous material and a first non-carbonaceous material into water, directly mixing or adding an oxidant for mixing, performing ultrasonic treatment, centrifuging and washing after mixing, taking out a precipitate, and drying to obtain a composite material; the method (2) is to grind the second carbonaceous material and the second non-carbonaceous material to obtain the photothermal composite material. The preparation method is simple, the reactants are various, the cost is relatively low, the prepared composite material can realize instant fixed-point luminescence and heating under the irradiation of laser, and the luminescence intensity, time and the generated temperature can be adjusted by regulating and controlling the type and content of the material and the laser intensity. In addition, the carbonaceous material-titanium dioxide composite material can realize directional luminescence, and has application potential in the aspects of projection, target illumination and the like.)
技术领域
本发明涉及发光材料及光热材料领域，具体涉及一种可实现光热调配的复合材料及其制备方法与应用。
背景技术
发光材料是指能以某种方式吸收能力，将其转化为光辐射的材料。当材料收到外接作用力(射线、电子束、电场等)激发后，材料处于激发态，激发态的能量通过光、热的形式释放出来。近年来研发出各种压电发光、光致发光材料，其中通过激光激发而产生光热的材料，可远距离调控材料发光发热，但为提升材料的发光亮度，通常会在材料中添加放射性材料，例如钴、镭、氚等，这类物质若得不到妥善处理会严重影响生物的健康以及污染环境。
此外，目前大量的发光材料需经过烧结再破碎的过程，烧结需在氮气和氢气混合气体中进行，设备复杂且操作难度高，由于在氢气下高温烧结，反应过程存在安全隐患，烧结后再破碎成粉体，由于高温烧结得到的块体硬度高，难以破碎，需使用相关设备加以辅助得到均匀的粉体，制备过程复杂且对设备、反应条件要求较高，因此生产成本相对较高。
如何通过安全、普遍的材料以及简单的制备方法制备发光、光热材料，并且可以通过参数控制来调节光热材料的发光以及发热性能，以满足不同应用的特殊需求，是急需解决且具有实用价值的研究课题。
发明内容
为克服现有技术的缺点和不足，本发明提供了一种可实现光热调配的复合材料，制备方法简单，且该复合材料在激光的照射下可实现瞬间定点发光、发热，并可通过调控材料的种类、含量以及激光的强度进行光热调配，在发光发热材料领域具有很好的应用前景。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下所述的技术方案：
本发明第一方面提供了一种光热复合材料的制备方法，包括方法(1)或方法(2):
(1)将第一碳质材料和第一非碳质材料加至水中，直接混合或加入氧化剂混合，混合后超声、离心、洗涤，取出沉淀物，干燥后得到一种光热复合材料；所述第一碳质材料与第一非碳质材料至少有一种为液体或固体分散液；
(2)将第二碳质材料和第二非碳质材料置于容器中，研磨后得到一种光热复合材料；所述第二碳质材料和第二非碳质材料均为固体；
所述碳质材料为碳单质和/或含碳高分子材料；所述非碳质材料为稀土金属的单质及其化合物和/或过渡金属的单质及其化合物。
碳质材料在激光激发作用下可以发光发热，但碳质材料热稳定性差，加入非碳质材料可以增强碳质材料的热稳定性(例如碳点-二氧化钛的复合材料，碳在激光作用下会嵌入二氧化钛晶格内部，晶格作为框架可以稳固碳的结构)。
进一步地，所述碳单质为碳点、碳纳米管、石墨、金刚石、足球烯中的一种或多种。
进一步地，所述含碳高分子材料包括含碳高分子单体和含碳高分子聚合物；所述含碳高分子单体为吡咯、葡萄糖、多巴胺、苯胺中的一种多种；所述含碳高分子聚合物为聚吡咯、葡聚糖、聚多巴胺、聚苯胺中的一种或多种。
进一步地，所述稀土金属的化合物为含稀土金属原子的盐、合金、络合物、氧化物或氢氧化物。
进一步地，所述过渡金属的化合物为含过渡金属的盐、合金、络合物、氧化物或氢氧化物。
进一步地，非碳质材料优选Fe2O3、Co(OH)2、H3PO4·12MoO3、硫酸铈、TiO2、氢氧化锶、碳酸锰、乙酸铜或铁粉中的一种或多种。
进一步地，方法(1)所述氧化剂为铁盐、铜盐、氯酸盐、高氯酸盐、硝酸盐、高锰酸盐、浓硫酸、二氧化锰中的一种，例如六水合氯化铁；氧化剂的加入促使含碳高分子单体发生聚合反应。
本发明第二方面提供了第一方面所述的一种光热复合材料在目标照明及局部加热方面的应用。
进一步地，所述光热复合材料在激光作用下产生光和热。
本发明第三方面提供了第一、二方面所述的一种光热复合材料在定向发光方面的应用。
进一步地，所述光热复合材料中的非碳质材料为二氧化钛。
进一步地，所述光热复合材料中的碳质材料的质量分数为5wt％-60wt％。
进一步地，所述碳质材料-二氧化钛的复合材料在激光的作用下产生定向白光。
碳质材料-二氧化钛复合材料中碳质材料作为发射中心，基于轫致辐射，在激光作用下，封装在二氧化钛内部的碳质材料产生白光并在二氧化钛的微腔内反射，基于这种微腔放大效应，二氧化钛对碳质材料发出的白光进行放大，放大后的光超过一定的阈值后，从二氧化钛微腔中逃逸，由于复合材料的相控阵效应，使逃逸的白光具有方向性。
进一步地，所述激光的波长为近红外光波段，具体为780nm-2000nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明通过将碳质材料与非碳质材料通过超声离心或研磨的方法制备得到一种光热复合材料，制备方法简单、条件温和、可用的反应物种类多，适合大批量生产。
2.本发明制备的一种光热复合材料，在激光的激发下可瞬间发光、发热，且发光时间长、发热温度高，可高达上千度，复合物性质稳定不易分解。
3.本发明可通过激光定点照射复合材料以达到目标照明和局部加热的作用，可通过控制复合材料中各材料的种类、含量以及激光的强度进行光热调配，以满足特定发光发热的需求，其中碳质材料-二氧化钛复合材料由激光激发可产生具有特定方向的白光，并非全向发光，可应用于投影设备，因此该类复合材料在发光、光热材料领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是Fe2O3-聚吡咯光热复合材料被红外激光激发前、后的照片；
图2是TiO2-聚吡咯复合材料分别在脉冲激光照射和连续激光照射下的温度变化，其中图b的两个曲线分别是不同激光强度下的样品温度变化；
图3是碳点-二氧化钛复合材料的白光发射光谱；
图4是碳点-二氧化钛复合材料被近红外光激发时的发光集光率；
图5是碳点-二氧化钛复合材料在目标照明和投影装置中的应用。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1：Fe2O3-聚吡咯光热复合材料
分别称取4g Fe2O3、2mL吡咯、10mL去离子水于烧杯中，再加入2.7g FeCl3·6H2O，混合、超声5min后离心，用去离子水洗去杂质，将下层黑色沉淀物取出后干燥，得到的Fe2O3-聚吡咯光热复合材料在红外激光烧蚀并激发下发出亮光并产生大量热，亮度时间可达数月，发热可达上千度。
如图1a所示，将少量Fe2O3-聚吡咯光热复合材料放置玻璃片上，用红外激光照射，结果如图1b所示，被照射的复合材料发光。
实施例2：Co(OH)2-聚吡咯光热复合材料
分别称取3g Co(OH)2、2mL吡咯、10mL去离子水于烧杯中，再加入2.7g FeCl3·6H2O，混合、超声5min后离心，用去离子水洗去杂质，将下层蓝色沉淀物取出干燥，得到的Co(OH)2-聚吡咯光热复合材料在红外激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
实施例3：H3PO4·12MoO3-聚吡咯光热复合材料
分别称取4g磷钼酸、2mL吡咯、10mL去离子水于烧杯中，再加入2.7g FeCl3·6H2O，混合、超声5min后离心，用去离子水洗去杂质，将下层蓝色沉淀物取出干燥，得到的H3PO4·12MoO3-聚吡咯光热复合材料在红外激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
实施例4：硫酸铈-碳点光热复合材料
分别称取3g硫酸铈、17mg碳点于研钵中，研磨3min，得到的硫酸铈-碳点光热复合材料在红外激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
实施例5：TiO2-聚吡咯光热复合材料
分别称取10mL TiO2分散液、2mL吡咯、10mL去离子水于烧杯中，再加入2.7gFeCl3·6H2O，混合、超声5min后离心，用去离子水洗去杂质，将下层蓝色沉淀物取出干燥，得到的TiO2-聚吡咯光热复合材料在808nm红外激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
将制备得到的TiO2-聚吡咯光热复合材料分别使用脉冲激光照射和连续激光照射，如图2所示，图2a为脉冲激光照射复合材料得到的温度变化图，从图中可以看出，复合材料在脉冲激光照射下，温度可高达1200K；使用不同光照功率的连续激光照射复合材料，其温度变化如图2b所示，图2b中曲线①、②分别为光照功率为2W、1W的连续激光照射得到的温度变化曲线图，由图可知，用2W连续激光照射12s左右温度可高达1000℃以上，用光照功率为1W的连续激光照射相同的时间，温度近900K，由此可知通过调节激光的光照功率可调控复合材料发热的温度。
实施例6：氢氧化锶-碳点光热复合材料
分别称取4g氢氧化锶、17mg碳点于研钵中，研磨3min，得到的氢氧化锶-碳点光热复合材料在红外激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
实施例7：碳酸锰-聚吡咯热复合材料
分别称取4g碳酸锰、2mL吡咯、10mL去离子水于烧杯中，再加入2.7g FeCl3·6H2O，混合、超声5min后离心，用去离子水洗去杂质，将下层黑色沉淀物取出干燥，得到的碳酸锰-聚吡咯热复合材料在红外激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
实施例8：乙酸铜-聚吡咯光热复合材料
分别称取5g乙酸铜、2mL吡咯、10mL去离子水于烧杯中，再加入2.7g FeCl3·6H2O，混合、超声5min后离心，用去离子水洗去杂质，将下层蓝色沉淀物取出干燥，得到的乙酸铜-聚吡咯光热复合材料在红外激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
实施例9：铁粉-聚吡咯光热复合材料
分别称取5g铁粉、2mL吡咯、10mL去离子水于烧杯中，再加入2.7g FeCl3·6H2O，混合、超声5min后离心，用去离子水洗去杂质，将下层褐色沉淀物取出干燥，得到的铁粉-聚吡咯光热复合材料在红外激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
实施例10:聚苯胺-氧化锌光热复合材料
取2mL的苯胺放入10mL氧化锌水分散液中，向里面加入1mL的HCl，逐步滴加氧化剂3g的FeCl3·6H2O，并不断搅拌，冷水浴搅拌24h，离心后洗去杂质，将沉淀物取出干燥，得到的聚苯胺-氧化锌光热复合材料在烘干用808nm激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
实施例11:多巴胺-氧化锌光热复合材料
取2mL的多巴胺放于10mL氧化锌水分散液中搅拌30min均匀，随后干燥，得到的多巴胺-氧化锌光热复合材料在烘干用808nm激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
实施例12:葡萄糖-氧化锌光热复合材料
取2mL的葡萄糖于10mL氧化锌水分散液中搅拌30min，随后干燥，得到的葡萄糖-氧化锌光热复合材料在烘干用808nm激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
实施例13:碳点-二氧化钛光热复合材料
分别称取10mL TiO2分散液、17mg碳点、10mL去离子水于烧杯中，混合、超声5min后离心，用去离子水洗去杂质，将沉淀物取出干燥，得到的碳点-二氧化钛光热复合材料在808nm红外激光烧蚀并激发下发光并产大量热。
在77K的温度下，碳点-二氧化钛复合材料在980nm近红外光激发下(5W/cm2)产生白光，其发射光谱如图3所示，图4为该复合材料被近红外光激发时的发光集光率，由图可知，碳点-二氧化钛复合材料在光致发光下的发光角为60°，进而说明该复合材料在激光作用下可实现定向发光而非全向发光。
实施例14:碳点-二氧化钛光热复合材料的应用
将实施例10制备得到的碳点-二氧化钛光热复合材料放置玻璃片上，并覆盖一层玻璃片，如图5a-c所示，制备得到发光源，将其与激光装置结合可用于目标照明(图5d-f)，此外，该发光源可用于投影装置，如5g-i所示，激光照射到发光源上产生定向白光，照射到投影片的图片上，经过聚光镜投射到屏幕上，完成投影。
由上述实施例可知，由碳单质或聚吡咯作为碳质材料，与过渡金属的氧化物、氢氧化物、络合物、盐、单质以及稀土金属的盐均能制备得到具有光热性能的复合材料，且制备得到的各种光热复合材料在红外激光的激发下，均能发光并产生大量的热，局部温度可高达上千度，可应用于照明以及局部加热等器械装置中，此外，碳点-二氧化钛复合材料可实现定向发光，在目标照明以及投影方面均具有应用潜能。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
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