智能窗用热致变色VO2涂层的制备与性能

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二氧化钒(VO2)作为一种典型的热致变色材料,可广泛应用于智能窗领域,是未来建筑领域极具潜在价值的材料。但VO2涂层在可见光区透射率较低且相变温度较高,不能直接应用于建筑玻璃表面,阻碍了其产业化。本论文为了提高VO2涂层的可见光透射率,提出了通过多种沉积工艺构建SiO2/VO2双层膜,为了降低VO2涂层的相变温度,提出了通过多种掺杂工艺构建W-VO2膜层,并在此基础上,构建了SiO2/W-VO2多层膜。以下是具体的工作进展:(1)分别采用VO2单独烧成工艺及VO2与SiO2共烧成工艺制备了SiO2/VO2热致变色涂层。借助拉曼散射光谱、扫描电子显微镜、原子力显微镜、紫外-可见-近红外光谱分析对涂层的物相组成、微观结构、热致变色和光学性能进行了表征。研究结果表明,SiO2/VO2涂层的微观结构、热致变色和光学性能强烈地依赖于沉积工艺;其微观结构随SiO2胶体不同而略有不同,但热致变色和光学性能无显著差异。采用VO2单独烧成工艺制备的SiO2/VO2涂层具有界面明晰的双层结构且膜层中VO2晶化程度较高,因而在热致变色性能无明显损失情况下,涂层的可见光透射性能得到了显著提升。源于碱催化SiO2溶胶及VO2单独烧成工艺的双层膜样品显示了良好的综合性能,其近红外光调控率为39.6%,太阳能转换效率为8.4%,25℃下可见光积分透射率与太阳能积分透射率分别为68.4%、72.0%。(2)以硫酸氧钒为钒源,白钨酸为钨源,采用先掺杂工艺制备不同掺杂量的W-VO2涂层。借助X射线光电子能谱、拉曼散射光谱、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、紫外-可见-近红外光谱分析对涂层的化学组成、微观结构、热致变色和光学性能进行表征。研究发现,随着掺杂的进行,涂层中出现+3价钒离子且结构由纯单斜相向单斜相与四方相共存转变,钨离子在VO2涂层中成功掺杂并起到降低相变温度的作用。本研究中,当掺杂摩尔比(W/V+W)为1 at.%WPTA时,制备的W-VO2样品显示了良好的综合性能,其相变温度为42.7℃,近红外光调控能力?T2000为35.7%,太阳能转换效率?Tsol为8.0%,25℃下的可见光积分透射率Tvis与太阳能积分透射率Tsol分别为52.0%、57.2%。(3)以自制的W-CA-V(IV)溶胶为热致变色W-VO2膜层前驱体,以酸、碱催化正硅酸乙酯水解缩聚生成的SiO2溶胶为低折射率膜层前驱体,采用W-VO2单独烧成工艺构建SiO2/W-VO2热致变色涂层。研究发现,采用W-VO2单独烧成工艺制备的涂层具有界面明晰的多层膜结构且SiO2膜层的引入使得涂层的可见光透射性能得到了显著提升。本研究中,以钨掺杂柠檬酸氧钒铵溶胶与酸和碱催化SiO2溶胶为前驱体,采用W-VO2单独烧成工艺制备的SiO2/W-VO2多层膜显示了良好的热致变色与光学性能,其近红外光调控能力?T2000为30.1%,太阳能转换效率?Tsol为6.1%,25℃下的可见光积分透射率Tvis与太阳能积分透射率Tsol分别为71.8%、73.1%。
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