PDMS基磁流变弹性体薄膜的制备、光学表征及其在光学微机电系统中的应用研究

Magnetorheological elastomer is a promising class of functional smart material whose mechanical and electric properties can be controlled by application of an external magnetic field. It possesses intriguing functionalities, such as magnetoelasticity, magnetoresistance, magnetostriction and shape memory, offering great potential for use as sensors, actuators and devices for vibration control. However, little effort has been devoted to its optical characterization and application. In the proposed work, magnetorheological elastomer films based on polydimethylsiloxane will be fabricated, and their optical properties will be measured under magnetic field. How the optical properties change with magnetic field will be studied, and an attempt will be made to explain the reasons for the change. To improve the tuning ability and increase the tunable range, the dependences of the field-induced optical properties on film thickness, microstructure, magnetic particle and additive will be studied, and the reasons underlying the dependences will be given. The films with wide tunable range in optical properties will be used to manufacture the microlenses whose optical properties can be tuned by magnetic field. The proposed research is of great significance to extending the applications of magnetorheological elastomer to optical microelectromechanical systems and other more areas.

磁流变弹性体是应用前景广阔的智能型功能材料，它的力学、电学等性能可以通过施加外磁场控制，具有磁控弹性、磁致电阻、磁致伸缩、形状记忆等多种功能特性，可用于振动控制、传感器、执行器等，但在光学领域它的研究和应用极少。本项目将研究PDMS基磁流变弹性体薄膜的制备方法及其磁控光学性能测试技术，探究薄膜光学性能随磁场变化的规律、机理，探究薄膜厚度和显微结构、磁性粒子、添加剂等因素对薄膜磁控光学性能的影响规律和机理，提高薄膜磁控光学性能的可调节性，增大调节范围，使用具有高磁控光学性能的薄膜制造磁控微透镜。本项目的研究突破了磁流变弹性体现有的研究范围，将其延伸到微尺度光学领域，研究成果将为光学微机电系统设计提供新的视角和思路，为磁流变弹性体的应用开拓更广阔的空间。

磁流变弹性体是由聚合物弹性基体和磁性颗粒组成的智能型功能材料，由于它能够对磁场、力、温度等多种外部刺激产生响应，因而在工程领域具有广阔的应用前景。目前磁流变弹性体的研究主要集中于力学性能及应用，很少关注其光学性能和应用。本项目研究了PDMS基磁流变弹性体薄膜在磁场作用下的光学性能及应用，取得了研究结果和研究进展。我们研究了PDMS基磁流变弹性体薄膜的制备和测试，研究了薄膜磁致光学性能的机理，还研究了磁性颗粒（材料、尺寸、浓度）、薄膜厚度和显微结构、制备过程中添加的有机溶剂等因素对薄膜磁致光学性能的影响和机理。试验结果显示，施加磁场能显著改变薄膜的光学透过率，当施加平行于薄膜表面的均匀磁场（B = ~ 80 mT)，Fe3O4含量为1 wt%的各向异性薄膜透过率变化达23.01%；试验结果也显示，施加磁场能显著改变薄膜的折射率，对于Fe3O4含量为1 wt%的各向同性薄膜，在无磁场的条件下，薄膜折射率为1.8123，当施加平行于薄膜表面的均匀磁场（B = ~ 300 mT)，薄膜折射率变为1.7332。我们通过理论研究和试验研究形成了2种新的微透镜制造方法，即通过薄膜屈曲成型和通过凹模液相成型。我们采用PDMS-Fe3O4磁流变弹性体薄膜制造了3种成像效果良好的磁响应微透镜，并研究了其磁响应性能机理。PDMS基磁流变弹性体薄膜可用于制造磁响应光学元器件，在微光机电系统和生物MEMS领域有良好的应用前景，并为其设计提供了新的视角和思路。与其它驱动方式相比，磁力驱动有许多优势。例如，它不需要表面接触，因而无磨损，寿命长；驱动系统结构简单、可靠性高；另外，磁场可以不依靠媒介而存在，因此磁力驱动可以用在比较大的空间范围。