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【智能液晶高分子薄膜会变色、有记忆、能自愈】科技日报:前主流的变色材料主要由无机分子或者可变色的染料分子构成。天津大学封伟教授团队用高分子制备出一种厚度只有200微米,具有变色、记忆和自愈合功能的智能变色液晶高分子薄膜,这种薄膜在多个领域展现出应用前景。

新买的包包可以随意变换颜色,不小心刮破的衣服能像皮肤一样愈合……这些似乎只在科幻电影里出现过的场景,如今已逐渐成为现实。

日前,天津大学封伟教授团队成功研发了一种新型智能材料——智能变色液晶高分子薄膜(以下简称薄膜)。这种新材料不仅能变色,还有形状记忆和自愈合功能。相关研究被选为封面文章刊发在国际期刊《德国应用化学》上。

通过液晶分子周期排列实现材料变色

在神奇的自然界中,许多生物经过亿万年的自然选择和进化,逐渐演变出自适应变色伪装能力,以便能随时躲避天敌。

比如变色龙就能够通过主动控制细胞层内部的纳米晶体排列结构,根据周围环境实现自身颜色的变化,达到与背景颜色匹配的目的。

研究发现,变色龙处于平静状态时,其细胞层内部的纳米晶体的排列是紧密的,可以特异性地反射短波长的可见光;而面临紧急情况时,变色龙就会通过机械力作用,主动控制晶体的疏密程度,使晶体的排列变得更加松散,选择性反射波长更长的光。

“这些生物体独特的表皮微纳光学结构及其自主动态变色的机制,为我们开发新型仿生智能变色材料提供了丰富的灵感。”天津大学材料学院高分子系教授封伟说。

近年来,国内外研究团队在仿生变色龙的智能变色材料方面取得了一系列重要进展。胆甾相液晶等手性液晶材料是一类具有周期性螺旋超结构的手性软光子晶体,不仅能选择性地反射不同波长的可见光,还能够灵敏地响应力、热、电、光、磁等环境刺激变化,呈现出结构色的动态变化。

封伟团队在此基础上,将动态共价键分子与液晶单体混合,通过溶剂挥发的方法使液晶单体分子自组装成周期排列的胆甾相液晶结构,最后通过光照聚合得到一种厚度只有200微米,具有拉伸变色、形状记忆功能和自愈合功能的液晶高分子薄膜。当前主流的变色材料主要由无机分子或者可变色的染料分子构成,通过有机高分子构筑的变色材料比较少见。

“根据布拉格反射公式,材料的反射波长与材料的微观结构排列周期是正相关的,光照到材料上时,只有特定波长的光能从材料中反射出来形成颜色,这种颜色俗称结构色。”封伟介绍,与染料的颜色不同,这种结构色会更加鲜艳、更加稳定。

薄膜内部的液晶分子是周期排列的。在拉伸薄膜时,材料内部液晶分子的排列周期会变短,因此会导致反射出来的颜色发生变化,这一变色机理与变色龙皮肤颜色的变化机理类似,薄膜的结构色可在可见光谱范围内进行动态调节。

引入动态共价键让薄膜有记忆能愈合

团队还将动态共价键分子引入液晶高分子中,使得薄膜具有形状记忆功能和自愈合功能。

“薄膜还拥有‘记忆编程’的特性,可以被拉伸成螺旋形、波形、圆柱形和更复杂的二维或三维形状并保持不变,当薄膜加热到相变温度以上后,又能恢复到最初的形状。”封伟解释说,这是因为加热激活了动态共价键发生键交换反应,使液晶高分子在网状结构内部形成新的拓扑结构。利用这种特性,他们通过反复将材料加热到100℃和冷却到25℃,让材料实现了在三维形状与二维形状之间以及不同颜色之间的可逆转换。

此外,因为在高分子网络中加入的动态共价键,遇到水分子后会发生断裂,水挥发后,动态共价键又会进行重组恢复初始状态,这样薄膜就拥有了自愈合的能力。

这种薄膜的自愈能力十分惊人,而且自愈后仍然非常结实。团队将薄膜切成两部分后,在损伤界面滴加水后,室温下放置24小时,分开的两部分会自动愈合,愈合后的薄膜被拉伸到原始长度的180%也不会断裂,并能承受自身1000倍的重量。

这项研究为制备兼具力致变色、形状可编程和高效自愈合等特性的液晶高分子材料提供了一种既简单又通用的方法,有望为开发仿生变色伪装材料、自适应光学系统和软体机器人等开辟新的方向。

媲美变色龙皮肤的“超级材料”用途广

经过几十年的研究与发展,智能变色材料的应用已经拓展到日常生活各个领域。比如,美国一家公司曾将热致变色性涂料用在陶瓷杯上,室温时陶瓷杯上的夜景,在倒入热水后会变换成日间景象,通过图案的变化就能知道杯子内水的冷热情况。

“具有结构色的材料已经在生活中有广泛应用。”封伟举例说,在轮胎边缘加入合适的变色高分子材料能制成智能轮胎,当外界温度或内部温度超过轮胎的正常使用温度时,智能轮胎会变色以示警告;变色高分子材料还可用于制作变色车窗玻璃、变色油漆,尤其是变色车窗是近十几年发达国家竞相研究的重要课题,目前,已有电致变色的调光玻璃应用的报道,而光致变色和热致变色的智能车窗玻璃还在进一步研制之中。

智能变色材料还可以做成能指示冷热的智能用品,例如将智能变色涂料镀膜在木材、金属、陶瓷等基材上,可做成能指示冷热用的变色茶杯和婴儿用的汤勺、奶瓶等。

另外,可变色的圆珠笔油、变色指甲油、变色儿童玩具、热敏体温计等产品都已经问世,这些产品极大地丰富了人们的生活。

防伪技术的研究历来就是一个受到普遍关注的课题,迄今为止,防伪领域所采用的方法多为激光防伪,使用设备昂贵,造价高。“而基于智能变色高分子材料的防伪方法具有操作简单、识别方便、成本低等特点,在技术保密性和防伪有效性等方面都有较大的优势。”封伟说。

目前,化学防伪标记一般直接印刷在商标、标签、封签或外包装上,因此制作化学防伪标记的关键是制备防伪印刷油墨,制备这种油墨的变色材料需要耐久性好、成本低,其变色发生的温度及变化的颜色要具有可选择性,因此智能变色材料也是化学防伪标记的首选材料。

将智能变色材料涂在织物上还可以做成变色服装,这种衣服穿在身上,会随着季节不同、地区不同、温度不同而呈现出不同的色彩。这种智能变色材料同样也可以用于桌布、窗帘等各种变色纺织品的生产。

“未来我们计划制备出仿变色龙皮肤的变色伪装材料,使材料的颜色能够与背景环境的颜色相匹配,实现变色伪装的目的。”封伟说。

此外,很多高分子材料如橡胶、塑料、涂料、纤维等都是重要的工业材料,每年磨损消耗巨大,而让这些材料拥有自愈合的能力,就可以提高它们的使用寿命,从而产生巨大的经济和社会效益。

不仅如此,我们生活中的很多高分子材料如塑料、橡胶等在长时间使用后会破损,如果这些材料能够自愈合,那么它们就会有更长的使用寿命,有利于减少环境污染和资源浪费。

“不过目前这种智能变色液晶高分子薄膜还处于实验室研究阶段,没有实现工业化生产。”封伟介绍,这是因为在制备方法上现在还有很多技术不成熟,如何精确控制液晶单体分子自组装,实现大面积、均匀的、明亮的结构色,这些仍是目前面临的难点。

晶科能源会议交流纪要
Q:目前是投了合肥 8GW 的线,二月底又投了海宁 8GW 的线,现在进度怎么样?
A:合肥 8GW 的线有多个车间,其中最早开的一个车间在量产冲刺阶段,另外几个车间也在 准量产阶段。海宁那边基底稍晚一些,现在处于自动化调试阶段,到 4 月份左右开始进行量 产。
Q:效率和良率方向的数据现在怎么样? A:因为还没有真正实现量产,只是在量产冲刺阶段。合肥那边最好的一条线,效率目前在 24.5%- 24.6%之间,良率在 93%左右。Q:海宁这边还没建好吗,设备已经装了? A:海宁这边是主机台在调安装,自动化设备还没到,所以流片还没开始走,还要晚 2 个月左 右,2 个月后能稳定出货
Q:之前在海宁投了 900MW 的线,当时效率和良率是什么水平?
A:对,在海宁袁花那里有 800MW,并非 900MW 的线,其实就是一个小车间,只是产能比 较小。小车间已经连续跑了有两年多时间了,去年四季度开始量产水平是稳定在效率 24.8%, 良率 96.5%层面上,非硅成本在 0.26 元左右,比 0.26 元多一些。
Q:当初看到这个数据后才决定要大规模去投产吗? A:要决定投产应该是多方面的因素,当然很关键的是 Topcon 和 PERC 之间的对比分析,看它 是否具备投资可行性。总的观点来说,按照 800WM 的水平,Topcon 的一个一级划成本,即 从硅片→电池→组件的成本,和 PERC 的成本是基本上打平的。成本上两者一样,但组件的 售价上,N 型 Topcon 的售价比 PERC 每 W 多卖 0.1 元,有 0.1 元的溢价空间,所以最终决定 要尽快扩产。第二,对晶科自身而言,Topcon 技术相对已经非常成熟,量产化没有问题, 比较持续稳定可靠。此外,因为晶科 2022 年订单有 10GW N 型 Topcon 组件订单,订单决定 了原来 800MW 完全无法满足,所以必须要尽快扩产。
Q:现在订单有多少,N 型电池片的订单?
A:总共接了 10GW 的意向订单,和日本、中东那边,所以意味着要尽快产出电池片,因为要 出货给客户,那就意味着三季度要做的差不多,所以电池这边的压力还是挺大的。
Q: Topcon 下游接收的客户是哪些应用场景? A:分为几块,第一块是对国土面积比较小的那些地方比较有吸引力,因为它功率比较高。第 二方面是对于气候比较恶劣的,比如像靠近赤道附近常年高温,或者靠近沙漠地带的那种国 家比较有吸引力,同时对极寒地带的比较有吸引力,比如靠近北极圈或南极圈的国家。之所 以有吸引力是因为以下几点:1.组件功率高 2.N 型组件无衰减 3.低温感系数,对温度不敏感, 能在酷暑或严寒地带得到比较好的应用 4.N 型组件溢价权来自于长波段光响应效果好,PERC

组件对短波响应较好,但在天空中有云层遮挡的情况下,短波会被云层阻挡吸收,只有太阳 光中的长波能打到地面,照射到组件表面上来进行反应,而 N 型 Topcon 组件在这块表(实 时纪要加:aileesir)现较好。所以在全年度下来,差不多 30%阴雨天气,这种情况下 N 型的 组件发电量也非常可观。4 个方面优势决定了它应用场景非常广泛,从赤道附近,到南北极 圈都能得到应用,统计来说它没有衰减,功率又高,它对土地利用率也高,那么它在一些像 日本或欧洲这些发达地区,它的国土面积比较小,在这比较小的面积上得到比较客观的发电 量。所以它的订单像美国,日本,欧洲,中东石油大国,市场上比较受欢迎的。
Q:是否分布式需求占比会更高一些,还是都会有? A:都会有的,对地面电站来说,它的收益分析下来会贵 0.1 元,但它的成本按发电量合算下 来(发电量)其实比 PERC 要高 12%,所以它这边收益还是挺高不管是分布式还是地面电站。
Q:发电量高 12%是指全年看下来高 12%吗? A:对,是的。
Q:那对他们来说增加 10%的发电量,价格上多 0.11 元还是比较划算的? A:是的。
Q:全成本一体化理念我们拆一下,(Topcon)Si 片的成本是比 PERC 要低吗? A:好,具体拆解一下。Si 片端成本,N 型 Si 比 P 型 Si 贵三分钱左右。分两个问题 N 型 Si 比 P 型 Si 要薄,P 型 Si 片业内标准是 170-175μ m,N 型 Si 片标准厚度是 150-155μ m,每个 N 型 Si 片比 P 型薄越 20μ m。按厚度来说应该是便宜的,但是 N 型 Si 片性能要求高,高效率 高功率的组件对 N 型 Si 的用料要求品质很好,Si 料用的好,意味着 Si 料成本会上升。用的 好体现在钠棒的头尾料,开方的边角料,这些用料的比例在 N 型 Si 中用料较低,跟 PERC 不 一样。一方面 Si 片减薄了,厚度减薄 20μ m,能节省一定成本,但由于其高品质要求导致 N 型 Si 料品质更好,价格更贵,综合下来,N 型 Si 比 P 型 Si 要贵 0.03 元。下面讲一下电池, 电池非硅成本 Topcon 目前在 0.26 元左右,PERC 主流市场在 0.2 元,电池端 Topcon 比 PERC 贵 0.06 元。下面讲一下组件端,组件端在同一版型下做对比,不同版型比较差异太多,比 起来意义不大。从同一版型来看,从制造成本上 N 型和 P 型组件端是无差异的,主要就是 些操作手法上做一些调整,电池正极跟负极是相反的,上料和接线盒需要反接。但是因为 N 型效率高,N 型做出来的组件比 P 型功率要高,高约 10%。组件端的成本是以 W 数来卖的, 比如说 PERC 按标准版型做下来是 650 W,相同版型去做 N 型 Topcon 的话能做到 710 -720W, 那就多出来 60-70 W,会分摊到人力成本,固定投资成本,设施动力等,它是能够摊薄的, 这样摊下来组件端能省下 0.1 元。因此整体来看,硅片端多 0.03 元,电池端多 0.06 元,组 件端省 0.1 元。#投资##价值投资日志[超话]#


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