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通过在玻璃表面沉积功能性涂层以实现隔热性能提升及太阳能摄入量调控是建筑节能的重点之一。VO2在相变温度发生半导体-金属态转变并伴有红外透过突变,可实现环境响应的光学性能动态调控,用作智能节能玻璃。针对VO2薄膜在智能节能玻璃方面的应用,本文首次开发了VO2薄膜的聚合物辅助沉积工艺,通过控制工艺条件实现了微结构及性能的有效节调;通过与透明导电薄膜的复合,制备了兼具热致变色性能和低辐射性能的复合薄膜。本论文系统研究了VO2薄膜从软化学法制备到性能提升的各工艺过程及所涉及的物理化学机理,对高性能VO2薄膜的大面积制备进行了有益探索。研究内容及结论可总结如下:
1.以无机盐和可溶性高分子为原料,开发了新型VO2薄膜软化学制备工艺:聚合物辅助沉积法(polymer-assisted deposition,PAD法),并对前驱液状态和成膜机理进行了探讨,发现前驱液的可溶性高分子间及可溶性高分子与无机盐间存在相互作用机理,在溶剂挥发会使前驱液形成有机无机均匀复合的凝胶膜。将所得凝胶膜在氮气条件下,经≥450℃热处理即可得到纯相/掺杂热致变色VO2薄膜。发现可溶性高分子分解过程与无机物的结晶在同一温度段发生,因而高分子热分解可以影响最终薄膜的结晶、生长过程及产物形貌;通过钨掺杂可实现相变温度68-25℃范围内连续调控。
2.通过控制热处理条件,实现了薄膜形貌和相变特性的有效控制。以此为基础,研究了薄膜形貌--相变特性之间的关系,发现晶界状态对相变有显著影响:干净、紧密的晶界有利于相变的发生及传递,提高相变的温度敏感性,样品热滞回线变窄;而晶界疏松的样品,热滞回线宽,温度敏感性低。减小薄膜中VO2粒子尺寸有利于提高薄膜的光学均匀性及可见光透射性能。
3.结合实验及计算,研究了膜厚和气孔率对薄膜光学性能的影响:增大VO2薄膜气孔率,可降低薄膜有效光学常数从而抑制光反射,实现可见光透过率和太阳能摄入量调控能力的同步提高;而膜厚会显著影响薄膜上下两界面反射光的相位关系,在特定波长引入自透射效果而提升相应波长区域相变引起的透过率突变。实验制备了均匀、纳米级多孔VO2薄膜(粒子和气孔大小平均值约30nm),薄膜具有与气相法最优结果相当的光学性能,如死Tlum,l=43.3％,Tlum,h=39.9%,△Tsol=14.1%(从Tsol,l=42.9%到Tsol,h=28.8%)、在1350nm处△T=50%或在2500nm处△T=76.5%。
4.为克服VO2薄膜低温相辐射率高,保温效果较差的问题。进一步制备了透明导电/VO2复合薄膜。结果表明,在有效保留热致变色性能及可见光透过率的前提下,辐射率可以从VO2薄膜的0.84降低到复合薄膜的0.31;以标准的中空玻璃构件推算,相比于单层VO2薄膜,复合薄膜的传热系数下降约30%,因而提高了薄膜的隔热保温性能。
从方向上讲,本论文以智能温控VO2薄膜制备工艺、性能提升及实际应用所涉及的物理化学过程为研究中心,紧扣当前节能减排主题;从内容上讲,本论文既涉及基础性科学研究,又紧密联系实际应用,具有明确的应用导向性和较好的工业推广前景。