[发明专利]一种用于结构健康监测的柔性可变形光子晶体材料的制备方法

说明书

本发明公开一种用于结构健康监测的柔性可变形光子晶体材料的制备方法，包括以下步骤：光栅母模板的清洗；模具的制备和组装：采用3D打印设备打印出三维模具，该三维模具包括上模和下模，将光栅母模板安装在三维模具上，得到组装模具；采用向组装模具中浇注PDMS的方法复制光栅母模板表面的一维光栅结构，得到PDMS一维光子晶体薄膜；最后脱模，得到中间表面带有一维光子晶体结构、两端带有凸起结构的PDMS一维光子晶体薄膜，该PDMS一维光子晶体薄膜即为柔性可变形光子晶体材料。本发明采用具有光子晶体结构的母模板制备力致变色光子晶体薄膜，工艺简单易操作，大幅度缩短力致变色材料的制备周期，降低制备成本。

技术领域

本发明属于结构健康监测材料的制备及应用技术领域，尤其涉及利用纳米成型技术简单快速地制备柔性可变形光子晶体材料的方法。

背景技术

受自然界生物体的启发，采用生物感知的方式监测损伤的自我监测材料引起研究人员的广泛关注。生物体通过皮肤瘀伤或伤口出血的方式发出损伤警告信号，类似地，工程结构可以通过材料颜色的改变“感知”损伤出现的位置和程度。目前制备仿生自我监测材料的方法主要有包埋微型储液器法和合成力致变色材料法。

第一种方法采用微胶囊、中空纤维或微通道等储液器包裹染料并将储液器埋入材料中，或将储液器制成损伤报告涂层涂覆于材料表面，当这些微型储液器随材料破裂后，被包裹的染料会渗入材料的裂缝和空隙中，从而显示材料损伤的位置。该方法模拟了生物体在损伤处的瘀伤或流血效应，使材料微损伤肉眼可视化，但是，从储液器释放到损伤部位的液体会使材料产生空隙，导致材料的机械强度降低；由于储液器破裂后无法还原，自我报告损伤的效果只能在材料的特定部位发生一次。

第二种方法是合成具有力致变色特性的材料，采用官能团、添加剂或生物大分子等使材料响应于力学变形而改变其外观颜色。该方法不仅能识别损伤的位置，还能根据材料颜色判断损伤的程度，理解材料损伤的演化过程，但是，合成力致变色材料的过程复杂，制备周期长。而且，以上两种方法中具有指示功能的颜色都属于化学色，性质不稳定，易褪色，易受外界环境影响，会对环境造成污染。

总结来说，现有方法存在以下技术问题：(1)工艺复杂，制备周期长；(2)降低母体材料强度；(3)自我监测效果受限；(4)材料化学色不稳定，易褪色，污染环境。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种用于结构健康监测的柔性可变形光子晶体材料的制备方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种用于结构健康监测的柔性可变形光子晶体材料的制备方法，包括以下步骤：

a光栅母模板的清洗

将光栅母模板从保护器皿中取出，先用无水乙醇对光栅母模板的表面进行清洗，再用纯水对其表面进行清洗，最后用氮气将光栅母模板的表面吹干，将光栅母模板的光栅结构面向上放置于洁净的培养皿中，待用；

b模具的制备和组装

b1模具的制备和清洗

采用3D打印设备打印出三维模具，该三维模具包括上模和下模，所述上模为中空的方形框架结构，所述下模包括长方形底板，在长方形底板上设置有第一条形凸起和第二条形凸起，第一条形凸起和第二条形凸起均沿长方形底板的宽度方向设置，且高度相等，长方形底板和第一条形凸起、第二条形凸起为一体式设计；所述方形框架的边框高度高于第一条形凸起和第二条形凸起的高度；

进行模具组装前，先用无水乙醇分别对模具的上模、下模两部分进行彻底清洗，然后用氮气将模具的上模、下模两部分吹干，将其放置于洁净的培养皿中，待用；

b2模具和光栅母模板的组装