[发明专利]辐射率可调的二氧化钒基复合薄膜及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及无机材料及节能材料领域，具体涉及一种辐射率可调的二氧化钒基复合薄膜及其制备方法和应用。 

背景技术

随着我国城市化进展、城镇建设的推进，建筑能耗增长迅猛。据统计，我国建筑能耗在社会各类总能耗中所占比例已达30%，在全世界范围内能源紧缺的情况下，建筑节能已成为世界各国共同关注的重大问题。建筑能耗首当其冲的是建筑用玻璃能耗，尤其是对于玻璃面积大的现代化建筑，例如对于玻璃面积占建筑面积达15%时，通过普通玻璃损失的热量可高达70%。因此开发节能玻璃，尤其是智能型节能玻璃具有重大经济、社会效益。

目前通过材料的设计、优化实现光谱的分波段调控是节能窗开发的核心内容，例如，太阳光能量主要分布在0.25-3μm波长之间，其中，紫外光、可见光和近红外光所占能量分别为9％、43％和48％。紫外光辐射会伤害皮肤和皮质家具，因而应被阻止在室外；可见光保障室内的采光，减少照明能耗，因而应当保证可见光具有一定的透过率；而近红外光携带的能量在冬季可以减少采暖能耗所以需要适当摄入，然而近红外光在夏季却需要被遮蔽在室外以减少空调的致冷负荷。由此可见，根据温度条件有效地调控近红外光透过率可以有效减少建筑能耗。

此外，与节能窗性能密切相关的还有热辐射光谱。在任何温度下，物体都在不断地吸收和辐射电磁波，在热稳态条件下材料热辐射的辐射率与吸收率相当。如果一个物体能够完全地吸收投射在它上面的所有电磁波，这样的物体则被称为黑体。实际材料的热辐射强度小于相同温度下黑体的热辐射强度，两者比值定义为辐射率。热辐射是物体与环境进行热交换的重要形式，材料的辐射率高表明其以热辐射的形式与环境发生的热交换剧烈，隔热性能受到限制。为减少建筑能耗，应减少窗玻璃的辐射率以提高其隔热性能。

减少窗玻璃的辐射率有效的途径之一是在玻璃表面沉积一层透明导电的低辐射层（参见Hans Joachim Glaser（汉斯·琼彻·格雷瑟），Large Area Glass Coating（大面积玻璃镀膜），上海交通大学出版社，2006年，104页；及C.G. Granqvist, Transparent conductors as solar energy materials: A panoramic review, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 91 (2007) 1529-1598）。由于透明导电层中存在大量的载流子，载流子由于存在质量而具有一定的惯性和特定的震荡频率。对于可见光，入射波的频率远高于载流子的震荡频率，载流子跟不上电磁场的变化，因而透明导电层可以透过可见光；当入射的波长较长时，入射波的频率减小，载流子逐渐跟随电磁场发生共振，出现等离子体共振效应而反射相应光波的能力增强。玻璃在波长大于4微米时的对光的透过率几乎为零，也即吸收率和反射率相加为1。而在热稳态条件下材料热辐射的辐射率与吸收率相等，因此透明导电层通过增强对红外光反射就可以有效抑制其沉积面的辐射率，起到减弱散热增强保温的效果。

具有低辐射性能的玻璃根据等离子体共振效应的不同可以分为太阳控制型（solar-control）和低辐射型（low-emissivity）两种，两者区别在于太阳控制型玻璃对太阳光能量中近红外光的部分有较高的反射，具有一定的太阳能遮蔽能力而适用于夏热冬暖地区；而低辐射玻璃则对太阳光能量的透过率高，可以充分发挥太阳能对室内的加热作用而适用于夏凉冬冷地区。但是，对于夏热冬冷地区，需要使用光学性能动态可调的智能玻璃以实现更好的节能。

在现有各种智能玻璃材料中，二氧化钒基的热致变色玻璃制备、使用成本低，而且相变温度可以通过适当工艺和成分控制进行调节，具有广泛的应用前景。例如，CN101786798 A公开一种二氧化钒前驱液及其制备薄膜材料的方法。二氧化钒材料对太阳光谱的调控主要源于其具有的绝缘体－金属相互相转变的相转变性质：其可在保持可见光透过率基本不变的前提下，二氧化钒在相变前透过红外光，而相变后则遮蔽红外线，从而起到冬季保暖、夏季遮阳的作用。