微結(jié)構(gòu)表面功能材料的制備及其熱輻射光譜特性研究.pdf

1、近年來，利用微結(jié)構(gòu)來控制材料表面熱輻射光譜特性的研究取得了長足進(jìn)步，已有研究表明，當(dāng)物質(zhì)的特征尺寸接近于熱輻射波長時，熱輻射問題將與宏觀熱輻射問題截然不同，微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的熱輻射光譜選擇控制特性。利用微結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熱輻射光譜特性控制的基本方法是:針對具體目標(biāo)控制波段的光譜特性要求，選取合適的材料，設(shè)計得到具有一定形態(tài)特征的微結(jié)構(gòu)，從而更好地實現(xiàn)熱輻射能量傳遞及熱輻射光譜控制。因此，微結(jié)構(gòu)光譜控制在航天器熱控制技術(shù)、太陽能技術(shù)、制造技術(shù)以及

2、材料工業(yè)等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用前景?；跓嶂伦兩淼拟}鈦礦錳氧化物由于其獨特的表面熱輻射性能而可用于航天器的智能熱控制，但由于受到自身屬性的限制，材料的熱致變色效果不盡如人意，這嚴(yán)重影響了它在航天器智能熱控涂層方面的應(yīng)用。目前，利用太陽能發(fā)電主要使用的是以晶體硅為基底的太陽能光伏電池，但存在著成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問題，因此，如何提高太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率以降低成本就顯得至關(guān)重要?；诖耍疚囊晕⒔Y(jié)構(gòu)表面熱輻射光譜特性為主要研究對象，

3、通過在鈣鈦礦錳和單晶硅表面構(gòu)造微結(jié)構(gòu)來研究微結(jié)構(gòu)對功能材料熱輻射光譜特性的調(diào)控作用，希望能對工程應(yīng)用產(chǎn)生一定的指導(dǎo)作用。本文具體研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　1、一維、二維周期性熱致變色材料的制備
　　采用固相反應(yīng)法制備出了多種不同組分大塊體的鈣鈦礦錳熱致變色材料，并研究了摻雜比例、燒結(jié)溫度等制備工藝對材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。利用光刻蝕技術(shù)在鈣鈦礦錳材料表面構(gòu)造出了一維光柵結(jié)構(gòu)和二維孔穴陣列結(jié)構(gòu)，并研究了刻蝕工藝對微結(jié)構(gòu)性能

4、的影響。構(gòu)造得到光柵結(jié)構(gòu)的周期約為10μm，光柵槽寬為6.0μm，槽深為2.0μm;孔穴陣列結(jié)構(gòu)的周期約為10μm，孔穴直徑為6.0μm，孔深為2.0μm。
　　2、一維、二維周期性熱致變色材料的熱輻射光譜特性研究
　　對實驗制備出的構(gòu)造有不同微結(jié)構(gòu)表面的鈣鈦礦錳樣品進(jìn)行了光學(xué)測試，進(jìn)而通過計算得到了材料的表面熱輻射特性，研究了一維光柵結(jié)構(gòu)和二維孔穴陣列結(jié)構(gòu)表面對鈣鈦礦錳材料熱致變色性能的影響，并分析了產(chǎn)生這些影響的原因。測

5、試結(jié)果表明，構(gòu)造有一維光柵和二維孔穴陣列結(jié)構(gòu)的熱致變色表面熱輻射性能均得到增強，對于具有光柵結(jié)構(gòu)表面的La0.825Sr0.175MnO3材料，其熱致變色性能得到顯著改善。
　　3、三維有序大孔(3DOM)熱致變色材料的制備
　　三維有序大孔(3DOM)材料是一種典型的三維光子晶體材料。采用膠晶模板法制備出了三維有序大孔的鈣鈦礦錳材料，通過改變實驗條件，制備出了多種不同孔徑、不同組分的熱致變色功能材料，并研究了不同制備工藝對

6、材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。實驗結(jié)果表明，制備得到的熱致變色功能材料有序性較好，3DOM結(jié)構(gòu)完整，且已形成單相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
　　4、三維有序大孔(3DOM)熱致變色材料的熱輻射光譜特性研究
　　研究了三維有序PS膠體晶體的光學(xué)性能，由于3DOM結(jié)構(gòu)完全是PS膠晶模板的逆復(fù)制，三維有序PS膠體晶體的質(zhì)量會直接影響到3DOM材料的結(jié)構(gòu)，因此，研究三維有序PS膠體晶體的光學(xué)性能也具有非常重要的意義。對實驗制備出的具有不同孔徑、不同組分三

7、維有序大孔的鈣鈦礦錳樣品進(jìn)行了光學(xué)測試，得到了其表面熱輻射特性。實驗結(jié)果表明，得到的PS膠體晶體三維有序性較好，具有明顯的光子禁帶效應(yīng)，而3DOM結(jié)構(gòu)材料的光子禁帶效應(yīng)不太明顯。同時，3DOM材料均具有較高的發(fā)射率，但材料的熱致變色性能不太顯著。
　　5、單晶硅(Si)微結(jié)構(gòu)表面的制備及其熱輻射光譜特性研究
　　以單層緊密排列的PS膠體晶體為掩模板，分別采用等離子體刻蝕(PE)、電感耦合等離子體刻蝕(ICP)和反應(yīng)離子刻蝕(

8、RIE)技術(shù)在單晶硅(Si)表面構(gòu)造出了一定的納米微結(jié)構(gòu)，并研究了不同刻蝕工藝對微結(jié)構(gòu)性能的影響。對構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了光學(xué)測試，研究了微結(jié)構(gòu)對光譜特性的調(diào)控作用。實驗結(jié)果表明，采用等離子體刻蝕方法能在單晶硅表面構(gòu)造出較完整的周期性微結(jié)構(gòu)，而電感耦合等離子體刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕得不到明顯的周期性結(jié)構(gòu)。光學(xué)測試結(jié)果表明，構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)表面均能有效降低晶體硅材料的光譜反射率，同時，具有一定周期性的納米柱微結(jié)構(gòu)表面的光譜反射率要明顯低于隨機結(jié)構(gòu)