微纳结构VO2热致变色薄膜制备及其智能窗性能研究

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1、博士学位论文微纳结构VO2热致变色薄膜制备及其智能窗性能研究STUDYONTHEPREPARATIONOFMICROSTRUCTUREDVO2THERMOCHROMICFILMANDITSSMARTWINDOWPERFORMANCE豆书亮哈尔滨工业大学2018年06月国内图书分类号：TB34学校代码：10213国际图书分类号：620密级：公开工学博士学位论文微纳结构VO2热致变色薄膜制备及其智能窗性能研究博士研究生豆书亮：导师李：垚申请学位工学博士：学科材料学：所在单位航天学院：答辩日期201：8年06月授予学位单位哈尔滨工业大学：ClassifiedIn

2、dex:TB34U.D.C:620DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringSTUDYONTHEPREPARATIONOFMICROSTRUCTUREDVO2THERMOCHROMICFILMANDITSSMARTWINDOWPERFORMANCECandidate：ShuliangDouSupervisor：YaoLiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：CentreforComp

3、ositeMaterialsandStructuresDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要光和热是人类生存和发展的基础，太阳光季节、地域和昼夜性分布不均在地球上造成了显著的温度差异，而人类调节温差消耗了大量能源。建筑能耗占现代社会总能耗30%-40%，通过智能窗合理调控进入室内的太阳辐射，能够有效降低建筑能耗，进而节约能源消耗，提高生活质量。二氧化钒(VO2(M))是一种热致相变材料，其透过性能相变前后在近红外波段发生突变，而

4、在可见波段几乎不变，能够同时实现采光和调温，是理想的智能窗材料。然而，VO2热致变色智能窗应用面临三个问题：智能窗性能差，不能满足采光调温需求；相变温度高，不能满足实用需求；循环稳定性弱，长期适用评价欠缺。针对以上问题，本论文主要开展了以下研究：针对VO2智能窗性能差问题：采用无机溶胶法制备双面微纳结构VO2(M)薄膜，通过优化薄膜厚度，实现了超高可见透过比（75.5%）和良好热调控能力（7.7%）；对比单双面微纳结构VO2(M)薄膜智能窗性能，发现双面微纳结构不仅能够增强可见透过比，还使热调控能力相对单面薄膜提高3.5倍；结合VO2(M)薄膜相变前后折射

5、率变化规律，分析了双面微纳结构提高VO2热致变色智能窗性能原因：相变前双重增透提高透过性能，相变后双面吸收降低透过性能，进而扩大近红外波段透过变化值，提高热调控能力。研究了无机溶胶法制备双面微纳结构在不同热处理工艺下的演化规律：薄膜晶相由V2O5经VO2(B)向VO2(M)转变，表面形貌由平坦表面转变成类冰晶状微纳结构后演化成表面微纳颗粒，同时伴随PVP分解。通过优化薄膜厚度、热处理温度和保温时间，获得双面微纳颗粒化VO2(M)薄膜，利用VO2(M)微纳颗粒相变后在近红外区域表面等离子体共振吸收效应，减少其相变后靠近太阳辐射最大波长处近红外波段透过值；通过

6、双面微纳颗粒VO2(M)薄膜的常温双重增透效果和高温双重表面等离子体共振吸收，实现可见透过比超过68%，热调控能力达到11.7%。针对VO2(M)薄膜相变温度高问题：将熔融V2O5倒入钨酸铵溶液中引入钨源，改进无机溶胶法，制备W掺杂VO2薄膜降低相变温度。研究了前驱体薄膜在不同热处理温度下晶相、表面元素价态和形貌变化。与未掺杂VO2(M)薄膜不同，W掺杂VO2(M)薄膜晶相虽然由V2O5经VO2(B)转变为VO2(M)，但不存在三相共存状态，且由VO2(B)转变为VO2(M)的热处理温度升高至600℃；5+3+4+前驱体薄膜在不同热处理温度下V元素由V逐渐

7、变为V，不存在单独V；N元素价态变化表明薄膜中晶相、V元素价态和形貌的变化主要受PVP分解的I哈尔滨工业大学工学博士学位论文影响；此外，不同热处理温度下薄膜中W元素价态不变；W掺杂VO2(M)薄膜形貌在转变为微纳颗粒时，颗粒紧密接触。600℃热处理获得的W掺杂VO2(M)薄膜相变温度为57℃，热滞回线宽度下降为6℃，热调控能力达到8.1%。改变热处理过程中氩气流量，获得了不同结晶性W掺杂VO2(M)薄膜，通过对比其智能窗性能和相变特性，研究了W掺杂VO2(M)薄膜结晶性和微纳结构对智能窗性能和相变特性的影响。结果表明：无机溶胶法制备的W掺杂VO2(M)薄膜

8、结晶性对其智能窗性能影响更大。针对VO2(M)薄膜循环稳定性弱难题