电致变色材料研究及发展现状

李帅 李心雨 刘丹丹 刘佳鑫 汪仁智 郭准

摘 要：近年来，电致变色技术这一新兴的光电显示技术被应用在变色智能窗、汽车自动防眩后视镜、电致变色眼睛、智能卡、户外广告等领域。其指材料的光学属性在外加电场的作用下呈现出可逆的光学性能转换特征。本文首先介绍电致变色的概况，其次介绍电致变色材料的应用领域，最后分析其当前在国内外市场存在的问题，以更清晰的认清电致变色材料的发展现状，促进电致变色材料更广泛的应用。

关键词：电致变色材料;研究;发展现状

电致变色指的是一些材料在外加电压或者电流的作用下，在双重注入或抽取下发生氧化还原点现象。材料的反射率、透过率、吸收率等光学属性，在外加电场的作用下形成色心或者产生带颜色的化合物，表现在外观上为颜色和透明度的可逆变化。电致变色材料凭借这一特点，成为一典型的智能材料，因为具有制造成本低、工作温度范围广及色彩丰富等优势，被广泛应用在智能汽车、智能人居等领域。

一、电致变色材料的概况

（一）电致变色材料的分类

电致变色概念由国外学者Plant在20世纪60年代提出，并受到世界各国度关注，并在实际应用投入大量人力物力进行研究。电致变色材料分为两类：一个是无机电致变色材料，另一个是有机电致变色材料。

无机电致变色材料主要包括：三氧化钨、五氧化二钒、氧化镍、二氧化钛等，其中部分无机电致变色材料目前已经实现工业化。

有机电致变色材料主要分为两大类：有机小分子电致变色材料、高分子电致变色材料。前者又包括紫精类化合物、三苯胺以及衍生物等，这些化合物在电极表面及溶液中会改变颜色。后者高分子也是一种重要的电致变色材料，形式和颜色相对丰富。

在电致变色材料中，有机电致变色材料具有变色速度快、记忆效应强、耗能低、颜色多样性及不同状态下的透过率差值高等优势。

关于电致变色材料的研究，全世界给予高度关注，并且这一课题研究逐年增加，特别是具有柔和性的聚合物电致变色材料，因为有着广阔的应用前景，也成为研究领域的一个热点。

（二）电致变色器件

电致变色器件指的是运用电致变色材料做成的器件，具有双稳态、是较大，无视觉盲点、显示清晰鲜明、对比度高、制作成本低及驱动电压低等优点。目前电致变色器件主要按照结构分类，分为溶液型电致变色器件、半溶液型电致变色期间及固态电致变色器件三类。

关于评价电致变色器件性能的标准主要依据变色反差、变色效率、开关速度、稳定性及光学记忆五个指标。电致变色器件主要具有透射可调、反射可调、信息可调及辐射可调等功能，相对应的器件应用分为节能智能窗、汽车防眩后视镜、电致变色显示器及电磁辐射屏蔽器等。

二、电致变色材料的应用领域

电致变色器件通过透射和反射两个工作模式在日常应用日益提升，关于电致变色器件的专利也与日俱增，不过对于投资者而言，如何实现电致变色限制期间的大规模生产和高性能，依然是重中之重。关于电致变色器件的应用领域，主要还是由电致变色材料的特性决定和影响。

（一）电致变色汽车后视镜

电致变色汽车后视镜，是采用无眩光反射镜，后视镜在反射模式下运行，一个是防止太阳光的反射，另一个是汽车夜间行驶中避免车辆灯光从后视镜反射炫目的光。目前大多数品牌汽车都采用了电致变色镜。用户可以根据自己的实际情况选择合适的反射率，增加出行的安全性。

电致变色器件将粘性电解液注入导电玻璃和反射镜之间，在通过电致变色层市价低电压，进而通过改变电致变色层的光吸收来调节反射器的反射特性，从而达到智能调节镜子的反射亮度的效果。

（二）建筑物和飞机的电致变色窗

智能窗这一概念在1985年提出，主要就是为了代表说明透过率可调的电致变色窗。智能窗具有既环保又经济实惠的优点，在建筑物或者飞机等处的应用，有效避免太阳辐射照进房间或者舱内。智能窗的应用原理，主要就是借助电致变色玻璃的着色程度来调节室内的日照强度。例如，由瑞典开发和应用的电致变色玻璃，主要用于汽车天窗、摩托车安全帽、办公室玻璃等，其中蓝色调的电致变色窗备受上班族的青睐。

（三）太阳镜和护目镜

上世纪90年代，日本东京尼康公司率先应用电致变色镜片，采用氧化物电致变色材料率先调节光线的强度。通常太阳镜对紫外线格外敏感，一旦遇到强光，镜片会自动变暗。不过，镜片颜色根据光想强度自行调节的速度过慢，电致变色镜片的应用将变暗时间从30-60s降低到9s，恢复透明时间从20min降低到4s。大大方便用户，只要通过镜片两侧的微型按钮操作，佩戴者就可以根据实际需要或者个人喜好自如调节光的强度。

（四）光调制器和光闸

电致变色材料除了用于显示器和窗户外，还被应用于光闸或者光调制器。主要安装在激光发射器的前端，发挥过滤器的作用。通过褪色态和着色态度切换，对特定波长的激光进行过滤或者补增加强。

（五）电致变色纸

电致变色纸将电致变色材料嵌入特定的纸张中，通过切换着色态或者透过态，实现纸张的重复应用。电致变色纸最早是在1989年发明，属于一种基于紫精化合物的显示器件。

（六）传感器和分析领域

通过电致变色材料的特性，可是实现对特定物质的分析。基于四氧化三钴，Shimizu等人发明制作成传感器，分为电机层、电致变色层及磷酸根离子等。传感率的透过率由[HPO4]2-的浓度决定，其充足的条件下四氧化三钴就会转化为着色态，反之就变为透过态。

此外，电致变色还可以用于信用卡、优惠券、门票及现金点钞机等。温控电致变色器件还可以用于冰箱通过对电致变色的速率和有害细菌大量繁殖的速率之间的关系，显示食品的安全性。

三、电致变色材料在国内外市场应用存在的问题

当前，电致变色材料属于最具应用前景的智能材料，特别是近年来，越来越多的电致变色器件被人们发现和应用。除了上述这些应用番外，电致变色材料还被应用在军事伪装和摄像器材等领域，从商业角度来看，最具市场前景的就是导电聚合物材料。

当前关于电致材料的市场状况，国外企业对电致变色材料主要致力于稳定持久和高性能的节能型电致变色玻璃、智能变色材料和智能变色技术的研究。相对国外企业，国内电致变色企业存在电致变色材料单一、缺少自主知识产权、产品种类当以等问题，极大的限制企业发展和国际市场的开发。对此，企业可以与高校和相关研究单位开展长期合作，加强新产品的研发力度，推动产品的更新，同时针对市场需求，有针对性的开发具有商业价值的电致变色材料。

四、结论

综上可见，电致变色材料属于新兴的智能材料，在建筑节能方面有着广阔的市场前景。本文从电致变色材料的分类、应用领域及市场问题分析当前研究现状，通过分析中国电致变色行业发展具有的资源和条件，以深入了解消费者和市场的需求，更好的开发更符合市場发展趋势、具有自主知识产权的电致变色产品。

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西京学院大学生创新创业项目 项目编号127152019097

（作者单位：西京学院理学院，陕西 西安 710123）