基于仿生光子晶体的隐身材料设计与制备

This study research on the mechanism of the biological structure color, and then try to construct artificial photonic crystal using nanofiber materials by means of bionics. This new kind of nano-material has adjustable structures and variable colors to realize invisible in different environments. the formation of new nano-fiber color stealth materials, research findings will have broad practical prospects on national defense, industry and other fields. .The specific research contents are: (1) aiming at living structure colors in natural world, study the relationship between the micro-structure and the color of organisms, i.e. to create a relationship model between structural unit size or arrangement and series of chromatics indicators such as reflection spectrum, chromaticity or RGB values. (2) practically analyze the color characteristics needed of the stealth materials to meet different environmental conditions. Separate every specific color feature under each environment, including hue, lightness and purity etc.. (3) imitating the biological formation mechanism, according to color characteristics required by each environment, to design the micro-structure of nano fiber photonic crystal. (4) Select appropriate kind of fiber and arrangement, to fabricate actual fiber photonic crystals, and theoretically calculate the bandgap properties and color characteristics of fiber photonic crystals, and then adjust the band gap through the regulation of the structural parameters, in order to match different stealth performances required by environmental conditions.

本研究通过对自然界生物结构色的机理研究，采取仿生学的手段，尝试利用纳米纤维材料构造人工光子晶体，形成一系列结构可调、颜色可变的新型纳米纤维隐身材料，研究成果将在国防、工业等领域具有较为广阔的实用前景。具体研究内容有：(1) 针对自然界中生物结构色的实例，获得生物体的微结构对其色彩的影响规律，即建立结构单元尺寸和排列方式与反射谱、色品、RGB 值等色彩学指标之间的关系模型。(2) 实际分析不同环境条件下需要隐身材料满足的色彩特征。分离出每种环境下的具体颜色特征，包括色相、明度、纯度等。(3) 模仿生物结构色的形成机理，依据每种环境所要求材料满足的色彩特征，构造设计纤维材料光子晶体的微结构。(4) 选取合适的纤维及其排列方式，实际制备纤维材料光子晶体，理论计算纤维材料光子晶体的带隙性能和显色特征，并通过调控隐身材料的各结构参数来实际调整材料的带隙性能，以实现与使用环境条件匹配的隐身性能。

利用自然界中的生物结构色机理，可以帮助我们实现隐身材料的设计。长期以来，隐身材料大多依靠涂层来实现，这样的隐身材料不仅隐身效果不佳，而且涂层容易脱落，隐身效果不够持久。如果能够掌握材料的微结构与其显示的光学特征之间的规律，那么通过设计材料的微结构，来调控光线在其中的传播，从而实现材料在光学上的可变或隐身，这种隐身效果会更为优越和持久。. 本研究通过仿生学的手段，借助对自然界生物结构色的机理进行深入研究，并尝试利用纳米材料在纺织品上构造人工光子晶体，形成一系列结构可调、颜色可变的新型伪装材料。本研究结果将在国防、工业等领域具有较为广阔的实用前景。具体做了以下工作，并得到一些结果。.（1）分析了蝴蝶翅膀鳞片、鸟类羽毛等纳米结构特征，获取到了其结构特征和光学特性之间的对应关系；.（2）通过胶体动力学计算，定量预测了胶体小球自组装最佳工艺条件，节省实际大量自组装实验的时间和成本。.（3）获得了在不同面料（天然纤维和化学纤维）的织物表面构造光子晶体的最优工艺条件，并在织物表面实现可控、大规模、高质量的自组装。.（4）明确掌握了织物表面光子晶体的晶格参数与其带隙对应波长的关系。.（5）制备得到了在紫外光波、可见光波、红外光波等多个波段的伪装（防护）织物。