光功能复合材料是具有光学或光电功能特性的复合材料，它可以由具有光功能特性的功能体与普通基体或具有光功能特性的基体复合而成。光与固体材料相互作用时，会导致电子极化或者电子能态转变，发生透射、反射、散射和吸收等过程，导致材料的光学性能发生变化。其中研究和应用较为广泛的有透光功能复合材料、电致发光功能复合材料、电致变色功能复合材料和光电转换功能复合材料等。由于功能特性不同，所涉及的光功能组分及其基体也有不同。

随着世界各国对环境保护的重视以及人们环保意识的增强，发展长寿命、低成本、良好的环境亲和性的高性能智能材料已是大势所趋，开发具有采光、调光、聚光、蓄光、光电转换、热电转换等多种功能/智能特性的新型光功能复合材料将成为重要研究方向之一。

一、透光

透光功能复合材料主要指玻璃纤维增强透明基体的复合材料，其透明基体可以是透明的聚合物、玻璃、单晶或玻璃陶瓷等。其中，透明的玻璃纤维增强复合材料按树脂种类可分为不饱和聚酯、丙烯酸酯类树脂等；按纤维种类可分为玻璃纤维毡（各向同性）、单向布或无捻方格布（各向异性）等。常用的采光制品可以分为三类：（1）平板及波形板；（2）夹层结构采光板；（3）壳体结构采光罩。

设计高性能透光功能复合材料的关键之一是控制复合材料中各组分的散射强度。散射是发生在材料内部折射率改变的界面上的光反射。这些界面包括材料内部的相界面、表面、裂纹等。材料中的杂质和组分波动亦是产生散射的重要原因之一。散射除会导致光损耗外，还对复合材料的透明性产生重要影响。

透光复合材料的设计主要需满足光学性能要求，因此一般需考虑以下几点：（1）通过匹配光功能复合材料各个组分的折射率可以获得高透明性，组分折射率越接近，透明性越好；（2）减少复合材料中各相粒子尺寸至100nm以下，也能使复合材料接近透明；（3）复合材料成型加工过程中产生的取向及各向异性，将会明显改变折射率，从而对复合材料的光学透明性或其他光学性能产生不利影响；（4）光功能复合材料应尽量避免杂质掺入。其验证主要是测试其透光率是否满足要求，其次再考虑其力学性能及其他性能（如耐老化性能）。

透光功能复合材料是一种非均质透光材料，结合了透光材料和结构材料的特点，具有比普通玻璃更优异的力学性能，可以制成各种采光制品，代替玻璃等普通采光材料，除大量用于温室顶板外，也可用于建筑物采光、工业防护罩、照明灯具挡板等，但需要改善其阻燃性能。因此如何使树脂基体的光学性能与玻璃纤维相匹配，同时兼顾复合材料的力学性能、阻燃性、耐老化性、色泽等其他性能是其研究方向之一。

二、电致发光

电致发光功能复合材料是在电激发作用下能发光的复合材料。电致发光功能复合材料一般属于激活型的掺杂发光材料，即有选择地在基质中掺入激活剂的发光材料，是一类非常重要的发光材料。电致发光功能复合材料主要包括无机发光复合材料、有机发光复合材料及有机-无机复合发光材料等。

无机发光复合材料是发展比较成熟的一类发光材料。常见的无机发光复合材料是以碱土金属的氧化物、硫化物、铝酸盐、硅酸盐等作为发光基质，以稀土镧系元素作为激活剂和助激活剂。有机发光复合材料通常指在聚合物基体中掺杂或键入有机发光染料的材料。而共轭聚合物复合材料制备的电致发光器件由于优异的加工性能、结构稳定等受到广泛关注。有机发光复合材料在器件制备工艺、材料成本、多色和全色显示、器件面积等方面具有无机材料不可比拟的优越性，成为制备大面积、低成本、全色柔性显示器件的首选材料之一。

有机-无机复合发光材料主要是指将无机激活剂或有机-无机配合激活剂掺入有机基体中或将有机-无机配合激活剂掺入无机基体中的发光材料。这类材料中以稀土有机络合物掺杂聚合物或玻璃基体两类发光材料为主。

三、电致变色

电致变色功能复合材料在电压作用下会发生物理或者化学结构变化，实现在可见光、红外和微波等不同范围内对透过率、反射率、吸收率和发射率的调节，从而出现可逆的颜色、吸收光谱变化，因此可以作为信息显示器件、电致变色智能窗、无眩反光镜、电色储存器件等。

电致变色组分包括无机和有机两大类，无机电致变色材料的典型代表是三氧化钨（WO3），以WO3为功能材料的电致变色器件已经产业化，并应用到波音787飞机舷窗等领域。而有机电致变色材料主要有聚苯胺、聚噻吩及其衍生物、紫罗精类、金属酞菁类化合物等。以紫罗精类为功能材料的电致变色材料也已经得到实际应用。而多层和多组分的电致变色复合材料则可以发挥各自优势，获得性能更好、寿命更长的器件，广泛应用到建筑、汽车、电子、航空航天等领域。

图1 用于建筑、汽车、柔性显示和航空航天领域的电致变色功能复合材料制品

四、光电转换

具有光电特性的复合材料是重要的信息功能材料，它能把光信号转变为电信号，可以用于制作太阳能电池、光检测器、生物传感器和场效应晶体管等。

聚合物具有易加工成型、价格低廉、且结构及物理性质通过化学修饰可调的优点。但是由于大部分的共轭聚合物为空穴传输型聚合物，其电导率很低。通过与无机或有机纳米材料复合，使两者能够在功能上互补，可以获得性能更加优异的光电功能复合材料。比如研究者们将很多具有优良的光电转换性能的p-型半导体纳米晶如TiO2、ZnO、CdSe等与聚合物如PPV及其衍生物复合制备成薄膜及相应光电子器件，表现出较好的性能及较高的能量转换效率，在性能上已经接近非晶硅材料制成的器件。这种综合有机聚合物与无机材料特性的光电转换功能复合材料制成的发光二极管、光伏电池、晶体管、光导体等可以应用到平板显示、激光打印、照明光源等，在医疗、电子、国防和航空航天等领域有很好的前景。

图2 光电转换功能复合材料用于电池和照明的结构示意图 

五、成本效益分析

光功能复合材料可以应用到工业和民用各个领域中，特别是在节能环保领域有非常重要的应用价值。比如太阳光的利用和防护可以应用到生活和工业中的方方面面，因此，光功能复合材料具有十分重要的应用价值，受到广泛关注。比如，透光功能复合材料是一种非均质透光材料，结合了透光材料和结构材料的特点，性能优异，可以制成各种采光制品，代替玻璃等普通采光材料，除大量用于温室顶板外，也可用于建筑物采光、工业防护罩、照明灯具挡板等，具有比普通玻璃更优异的力学性能。电致变色复合材料可以应用到智能窗和汽车后视镜等，可以使建筑物和汽车更加节能、环保和安全。光电转换功能复合材料则可以将太阳能转换成电能，可以解决人类日益严重的能源短缺的问题。因此光功能复合材料具有非常广泛的应用前景，在生活和生产方面受益巨大。

以太阳能电池为例，近年来的太阳能电池技术取得了很大进展，很可能成为未来的主要电力来源之一。截至2010年 12月31日，关于太阳能电池及其组件的专利达到5536件，中国达到3936件，占世界专利总数的71%。截至2012年底，全球光伏发电累计装机容量达100GW(1GW=100万kW)。据美国电气与天然气工业协会预测，2020年全球太阳能电池产量将达到80~160 GW，年均增长速度达25%。

六、应用案例---电致变色智能窗

据资料显示，我国既有的约400亿m2城乡建筑中，99%为高能耗建筑；新建的几十亿平方米建筑中，95%以上仍为高能耗建筑，它们的单位建筑面积采暖能耗，相当于气候条件相近的发达国家节能建筑的2倍～3倍。而智能窗的光学性能和辐射能可以随需要不同而变化，从而获得最好的采光特性，并降低能量损耗。

电致变色智能窗的工作原理如下：随环境光强变化，电致变色材料可通过调节电压实现褪色态和着色态的快速转变，进而实现对光量的调节。较弱光线时的智能窗为褪色态，较强光线时的智能窗为着色态。电致变色智能窗具有节能高效等优点，被称作“太阳能空调”。三氧化钨是用于智能窗的典型电致变色材料。使用WO3作为电致变色层，通过离子的注入和抽出，可以实现智能窗在透明态到深蓝色到透明态的可逆变化过程。

而导电聚合物如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等制备工艺简单、原料易得，且具有较高的对比度和着色效率，响应时间短，更重要的是这些聚合物及其复合材料如聚苯胺可以随着不同氧化态之间的转变显示出淡黄色、黄绿色、绿色、蓝绿色、蓝色等多种颜色，同时还具有易加工、易质子酸掺杂、颜色变化丰富及良好的环境稳定性等优点，因此有望应用到将来的电致变色智能窗中。

图3 电致变色器件结构示意图

图4 用于波音787飞机舷窗和建筑玻璃的电致变色智能窗