半導(dǎo)體光熱納米材料的制備及其在近紅外光屏蔽隔熱膜中的應(yīng)用.pdf

1、近紅外光屏蔽隔熱膜是一種能透過可見光同時屏蔽近紅外光的薄膜，其在節(jié)能環(huán)保方面得到了廣泛地應(yīng)用，例如作為建筑物和汽車的玻璃涂層。近紅外光屏蔽隔熱膜的發(fā)展關(guān)鍵是制備性能優(yōu)異的近紅外光屏蔽材料。目前人們主要發(fā)展了兩類近紅外光屏蔽材料。第一類是傳統(tǒng)透明導(dǎo)電半導(dǎo)體材料，例如錫摻雜氧化銦（ITO）、銻摻雜氧化錫（ATO）和鋁摻雜氧化鋅（AZO）等。這類材料在可見光區(qū)具有很高的透過率，在近紅外光區(qū)有著一定的屏蔽性，因而具有一定的隔熱效果。然而它們只能

2、屏蔽波長大于1500 nm的近紅外光，且原材料中還含有價格昂貴的稀有金屬，難以大規(guī)模應(yīng)用。另一類是鎢基半導(dǎo)體材料，包括鎢系氧化鎢（ WO3-x）和鎢青銅（MxWO3，M=Na+，K+，Rb+，Cs+和NH4+）。這類材料具有很高的可見光透過性和全波段近紅外光屏蔽性，因而被廣泛地運用在近紅外光屏蔽隔熱膜中。然而，W在地殼中的豐度較低（~1.1 ppm），原料價格較高，穩(wěn)定性也不夠好。為了優(yōu)化鎢基半導(dǎo)體材料的光吸收性能從而降低用量，本文首先

3、設(shè)計和合成了兩種不同尺寸的W18O49納米棒，對比了它們的光吸收性能和研究其在近紅外光屏蔽隔熱膜中的應(yīng)用。另外，為了避免使用昂貴的金屬原料，我們還發(fā)展了價格低廉的CuS納米片作為近紅外光吸收材料，并研究其在近紅外光屏蔽隔熱膜中的應(yīng)用。具體開展工作如下：
　　第一部分：以氯化鎢為原料，無水乙醇為溶劑，油酸和油胺為表面活性劑，通過溶劑熱法制備了 W18O49納米棒。并探討了不同表面活性劑對其結(jié)晶性、形貌及尺寸的影響。研究表明，改變表面

4、活性劑的種類可以改變 W18O49的結(jié)晶度和晶體尺寸。當(dāng)加入的表面活性劑為油酸時，得到長度約為100 nm、直徑約為5 nm的W18O49納米棒。當(dāng)加入的表面活性劑為油酸和油胺兩種溶劑時，則獲得長度約為50 nm，直徑約為3 nm的 W18O49納米棒。這兩種尺寸的W18O49納米棒在近紅外光區(qū)都展現(xiàn)出很強的光吸收能力，但是小尺寸的納米棒具有更好的近紅外光吸收性能。此外，我們還測試了兩種不同尺寸的 W18O49納米棒的光熱轉(zhuǎn)換能力。當(dāng)相

5、同濃度（0.5 mg mL-1）的兩種 W18O49納米棒氯仿分散液，被980 nm激光（0.6 W cm-2）照射5分鐘后，小尺寸納米棒升高的溫度（ΔT=38.4°C）比大尺寸納米棒升高的溫度（ΔT=29.8°C）高8.6°C。說明 W18O49納米棒尺寸越小，其光吸收能力和光熱轉(zhuǎn)換性能越強。隨后，我們將小尺寸 W18O49納米棒與 PDMS混合制備成 W18O49/PDMS薄膜，該薄膜具有很好的可見光透過性和近紅外光屏蔽性。我們以W

6、18O49/PDMS涂膜玻璃作為暗盒的窗口，用氙燈（0.5 W cm-2）照射1500 s后，暗盒內(nèi)部溫度從23°C升高到32.2°C（ΔT=9.2°C）。其上升溫度比以 ITO玻璃（ΔT=12.1°C）和普通玻璃（ΔT=18.2°C）為窗口時的上升溫度要低得多。因此可知，W18O49/PDMS涂膜玻璃的隔熱性能優(yōu)于普通玻璃和商業(yè)的ITO玻璃。然而， W18O49納米棒的長期穩(wěn)定性還不夠理想。所以，有必要開發(fā)一種廉價且穩(wěn)定性良好的近紅外

7、光屏蔽材料。
　　第二部分：采用簡單的水熱法，在 PVP的輔助下以 CuCl2和(NH4)2S為原料，合成了寬度為150~250 nm、厚度為30 nm的六方相 CuS納米片材料。該納米片能很好的分散在水和乙醇中，其分散液甚至能保持一周不發(fā)生沉降，具有很好的穩(wěn)定性。CuS納米片在近紅外光區(qū)展現(xiàn)出強烈的吸收特性，在1137 nm處的消光系數(shù)為8.55×103 cm2 g-1，這主要歸因于CuS納米片強烈的表面等離子體共振吸收。將濃度

8、為0.25 mg mL-1的 CuS納米片水分散液置于功率為0.5 W cm-2的980 nm激光下照射，12 min后水分散液的溫度升高了22.3°C，其光熱轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)26.4％。此外，我們將能量密度為0.5 W cm-2的氙燈作為模擬太陽光，用其照射CuS粉末3 min。結(jié)果表明，CuS粉末的溫度從30.4°C上升到了73.6°C。這說明CuS納米片能強烈吸收模擬太陽光中的近紅外光，并將其轉(zhuǎn)化成熱能。
　　第三部分：CuS

9、納米片因其具有原料廣泛、價格便宜、制備簡單和性能穩(wěn)定等優(yōu)點，可作為一種優(yōu)秀的近紅外光吸收材料，用于制備近紅外光屏蔽隔熱膜。我們將 CuS納米片與 PDMS混合制備成漿料，然后用涂膜/干燥的方法制備成不同條件的 CuS/PDMS復(fù)合膜。通過紫外-可見-近紅外光譜分析表明，當(dāng) CuS/PDMS的質(zhì)量比為0.1 wt%和厚度為0.8 mm時，復(fù)合膜具有63.0%的可見光透過率和78.1%的近紅外光屏蔽率。重要的是，CuS/PDMS復(fù)合膜在10

10、0°C烘烤48 h或者在水中浸泡7天后，仍然具有很好的可見光透過率和近紅外光屏蔽率，證明了 CuS/PDMS復(fù)合膜具有優(yōu)秀的耐熱性和耐水腐蝕性。在隔熱對比實驗中，我們以這塊膜作為暗盒的窗口，用0.5 W cm-2的氙燈照射1500 s，暗盒內(nèi)空氣升高的溫度（ΔT=4.7°C）比以ITO玻璃（ΔT=9.3°C）或普通玻璃（ΔT=13.7°C）作為窗口時升高的溫度要低得多。因此可知， CuS/PDMS薄膜作為半透明的隔熱涂層在現(xiàn)代建筑和車輛