智能窗的热致变色VO2薄膜

温敏性聚合物/二氧化钒复合微凝胶的制备及其智能窗应用致变色材料能够在环境刺激下改变透光率及颜色,从而调控太阳光透过率,是理想的智能窗材料,受到学术界和节能建筑业的广泛重视。

本文将传统的无机变色材料二氧化钒(VO2)与有机温敏性材料聚N-异丙基丙烯酰胺复合,研究了其作为新型智能窗材料的应用性能;此外,通过改性制备了pH/温度双敏感淀粉,研究了其溶液性质,为开发绿色和廉价的智能窗材料奠定了基础。

具体工作如下:(1)采用非传统Stober法成功制备以VO2为核的核壳结构VO2@SiO2纳米颗粒,通过FTIR,XRD,HRTEM对其结构进行了分析;利用差热分析仪在氧气氛围不同加热速率下研究发现,VO2@SiO2具有良好的抗氧化性,能在VO2@SiO2在后续的水凝胶体系里稳定存在。

同时采用硅烷偶联剂KH570(MPS)对纳米颗粒,通过FTIR、接触角等方法VO2@SiO2进行表面改性,制得VO2@SiO2@MPS证明表面改性成功。

(2)通过悬浮聚合,以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)为表面活性剂,N-异丙基丙烯酰胺(NIPAm)为单体,N,N-亚甲基双丙烯酰胺含量(bis)为交联剂,成功制备了粒径为200 nm左右分布均匀的PNIPAm微凝胶小球,其最低临界溶解温度(LCST)为32℃。

当NIPAm含量为 2.5wt%,bis含量为1wt%时,探讨了PVP含量对PNIPAm微凝胶用作智能窗材料时对太阳光调光率的影响。

利用动态光散射(DLS)和紫外可见红外光谱仪,对凝胶的粒径、相变速率、不同温度下太阳能调光率效率、高低温循环性能进行了系统研究。

当PVP含量为1g/L时,其平均可视透过率可达34.33%,太阳能调光率为64.99%。

然后将VO2@SiO2分散在PVP溶液中,通过悬浮聚合制备了VO2@SiO2@PNIPAm 复合凝胶,得到平均直径为200 nm的复合微凝胶。

通过对其太阳能调光率效率、高低温循环性能及凝胶相变速率的研究,发现VO2@SiO2的引入可增加5%太阳能调光效率。

VO2薄膜的制备和光学性能研究的开题报告
一、选题背景
薄膜技术是一种制备高性能材料的重要手段，具有制备形态多样、制备精度高、材料性能优良等优点。

VO2是一种具有独特电学、热学、光学性质的功能材料。

在温度为68℃以上时，VO2会发生金属-绝缘体相变，产生明显的光学和电学性质变化，可以应用于电子器件和光电器件领域，如智能窗、传感器等。

因此，对VO2薄膜的制备和光学性能研究具有重要的理论和应用意义。

二、研究内容和目的
1.制备VO2薄膜
采用物理气相沉积（PVD）技术制备VO2薄膜。

在此过程中，我们将通过改变不同的沉积参数，如温度、沉积速率等，研究这些参数对VO2薄膜的形态、结晶度和物理性质的影响，以寻求制备条件的最优选择。

2.研究VO2薄膜的光学性能
运用紫外-可见（UV-Vis）分光光度计研究VO2薄膜的吸收和透射光谱，探究其在相变前后光学性质和透明度变化的规律，并对其做定量分析。

三、研究意义
通过本研究，可以掌握VO2薄膜制备工艺，系统地研究VO2薄膜的光学性能，为其在应用领域的推广与研究提供基础。

本研究也为相关领域的研究提供了思路与借鉴。

vo2热致变色机理
VO2热致变色机理。

VO2是一种具有独特性质的过渡金属氧化物，它在温度变化时
表现出引人注目的热致变色特性。

这种材料在室温下是黑色的，但
当温度升高到约68摄氏度时，会突然变成金属光泽的蓝色。

这种热
致变色性质使得VO2在许多领域有着广泛的应用，包括智能窗户、
温度传感器和光学开关等。

VO2的热致变色机理可以追溯到其晶体结构的变化。

在室温下，VO2具有单斜晶体结构，其中金属离子和氧离子的排列方式使得材
料呈现出黑色。

然而，当温度升高时，VO2会经历相变，晶体结构
从单斜相转变为金属相，这导致了材料的颜色从黑色变为蓝色。

这种相变是由于VO2中电子的行为发生了改变。

在室温下，VO2
是一个绝缘体，电子无法自由传导。

但当温度升高时，电子开始在
晶格中移动，使得材料成为了一个金属。

这种电子行为的改变导致
了光学性质的变化，从而呈现出了热致变色的特性。

除了温度，VO2的热致变色还可以受到其他外部因素的影响，
比如压力和化学物质。

这种特性使得VO2成为了一种非常有趣的材料，可以在许多领域中发挥作用。

总的来说，VO2的热致变色机理是由其晶体结构的相变和电子行为的改变所导致的。

这种特性使得VO2在许多应用中具有巨大的潜力，可以为我们的生活带来许多便利和创新。

智能窗户涂料：常压化学气相沉积（APCVD ）制备钨掺杂二氧化钒自然界中VO 2以四种形式存在：VO 2（M ）、VO 2（R ）和两种亚稳定形式VO 2（A ）、VO 2（B ）。

单斜的VO 2（M ）在68℃转换成金红石VO 2（R ），这是一个完全可逆的金属-半导体相变（MST ），转变过程中材料在近红外区域的光学性质有极大的变化。

超过68℃，对长波区太阳光有较强的反射；在68℃以下，反射的能量显著减小。

VO 2这种热致变色性质正是智能窗户涂料所需要的性质，但是若在日常生活中应用，它的MST 温度要小于68℃。

在VO 2晶格中掺杂金属离子可以通过改变尺寸、掺杂离子电荷、电子载体密度等因素来影响MST 温度（T C ），而钨在改变二氧化钒的T C 上是最合适的掺杂离子。

钨掺杂二氧化钒薄膜已经可以通过溶胶-凝胶法和物理气相沉积制得。

膜的厚度也会影响二氧化钒的T C ，在300纳米或更低时在50℃时显示出热变色。

这一点被解释为应变效应。

化学气相沉积（chemical vapor deposition, CVD ）是经由气态的先驱物，通过气相原子、分子间的化学反应，生成薄膜（及其他材料）的技术手段。

用于薄膜制备的化学气相沉积涉及三个基本过程：反应物的输运过程，化学反应过程，去除反应副产物过程。

CVD 过程的气压、温度一般比较高（随需求不同而不同），因为较高的气压、温度有助于提高薄膜的沉积速率。

在文献中，实验温度大于500℃。

常压化学气相沉积（APCVD ）在玻璃基板上制作薄膜是一种非常有前景的方法。

由于生长速度快、可以直接与生产线生产兼容，因此这种方式可以很容易的集成到商业平板玻璃的生产线中，反观物理气相沉积和溶胶-凝胶法则不然。

实验中，基底玻璃表面附着一层SiO 2，玻璃规格为15×4.5×0.3cm ；反应源为VCl 4 (99%, Aldrich, UK) H 2O ；掺杂源为W(OC 2H 5)6(99.9%, Alfa Aesar, UK)；载气为N 2(99.999%, BOC UK)；反应温度为500-600℃。

VO2薄膜制备及其相变性能的探讨0引言随着全球气候变暖以及城市化进程的加快，我国大部分城市在夏季都会受到一定程度的热岛效应的危害，迫于能源短缺的压力，目前世界各国都十分注重建筑节能。

当前中国建筑能耗占社会总能耗的27%左右。

建筑能耗中，玻璃门窗的能耗占到全部建筑能耗的40%-50%，因此窗户的节能是建筑节能中需要重点解决的问题。

[1]目前节能型玻璃主要有热反射玻璃、低辐射玻璃等。

但先行的低辐射玻璃还存在一定的局限性，其光学特性不能随环境条件而改变，在冬冷夏热地区难以达到最佳节能效果，在舒适性和节能效果上都有一定的局限性。

[2] VO2是一种具有热致相变特性的功能材料，其在68℃时会发生从单斜结构半导体相向金红石结构金属相的可逆转变[3]。

伴随相变过程的发生，VO2薄膜的红外透过率将发生改变，这种光电性能的改变使VO2薄膜在智能窗等领域具有广泛的应用前景[4]。

纯VO2的相变点偏高，实际运用价值不大，掺入高价的金属离子是降低相变温度的有效方法，其中W掺杂的效率最高[5，6]。

1 原材料与实验方案1.1 原材料（1）偏钒酸铵（2）草酸（3）柠檬酸（4）水合肼（5）偏钨酸铵1.2 实验方案（1）以偏钒酸铵为原料，草酸为还原剂：1）用电子天平称取重量为0.235g的草酸晶体，放入40ml的去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，形成浓度为0.065mo1/L的草酸溶液。

2）用电子天平称取重量为0.94g偏钒酸铵粉末，0.026g偏钨酸铵粉末，加入到第一步得到的草酸溶液，并搅拌约20分钟，形成橙色的透明溶液。

3）把第二步得到的橙色溶液倒入50m1聚四氟乙烯高压反应釜中，并把反应釜放入鼓风干燥箱中在180℃温度下保持24小时。

4）把反应釜中黑色沉淀物收集起来，并用无水乙醇和去离子水反复冲洗4-5遍，再通过过滤收集。

把收集起来的黑色粉末，置入真空干燥箱中，60℃温度下烘干10个小时，就得到VO2（B）纳米结构。

（2）以偏钒酸铵为原料，柠檬酸为还原剂：1）用电子天平称取重量为2.25g的柠檬酸酸晶体，放入80ml的去离子水中，磁力搅拌至完全溶解，形成浓度为0.134mo1/L的柠檬酸溶液。

VO2薄膜制备技术及其应用进展VO2作为固态热致相变材料，当温度在68℃时，因热驱动而发生相转变，VO2晶体结构会随之发生变化（单斜结构转变为四方金红石结构），同时其光学和电学性能也会发生突变。

VO2薄膜优异的电学和光学特性，使得其具有较高的实用价值和广阔的应用前景，在多个领域中发挥着重要作用。

当前用于制备VO2薄膜的方法主要有溅射法、溶胶-凝胶法、蒸发法、常压化学气相沉积法等。

1 二氧化钒薄膜的制备方法1.1 溅射法该法是在通氧条件下溅射金属钒靶，淀积与反应同时进行，溅射所用设备可以是离子束溅射或磁控溅射，用Ar+离子束溅射钒靶，在加热衬底上形成VO2多晶薄膜，然而在较低衬底温度下晶粒尺寸会较小，两相电阻比Rs/Rm小。

采用反应磁控溅射，在Ar气中混合O2，可在蓝宝石衬底上外延出VO2，外延VO2薄膜具有相变陡峭、热滞效应小等特性。

此外，还有溅射V2O5粉末靶制备VO2的报道。

用纯Ar+离子直接溅射V2O5粉末靶，即可在衬底上淀积出二氧化钒。

周进等人采用Ar+离子柬溅射V2O5粉末靶在室温下淀积出的氧化钒薄膜为高价态V2O5。

1.2 溶胶-凝胶法（Sol-Gel）将VO（OC3H7）3溶于某些有机溶剂配成母液，用涂胶机或漂洗仪将母液涂布于衬底上，温度在370～670℃范围内进行烘干沉底生成V2O5。

将V（OR）4溶液均匀涂布于玻璃衬底上，凝胶后形成VO2·X（H2O），在N2气中经200～700℃烘干衬底，即获得VO2。

该法制备成本低，可大面积制备，客易掺杂，可双面一次形成，但厚度较难控制，工艺控制要求较高，容易使薄膜开裂或起泡。

1.3 蒸发法通常用V2O5粉末蒸发淀积VO2薄膜。

单纯蒸发获得的氧化钒薄膜一般为缺氧的V2O5，在200～500℃氧气中退火，薄膜即转变为符合化学计量比的VO2，薄膜的机械强度得到了提高，与衬底附着力也得到优化。

若在通氧下进行蒸发，可淀积得到V2O5，但要在较低的衬底温度下淀积，使得薄膜机械强度和附着力变差。

智能窗发展现状研究刘玮;郝雨楠【摘要】本文对电致变色、光致变色、热致变色、气致变色材料的发展现状、优缺点和趋势进行了简要介绍,希望对国内智能窗的发展提供有价值的参考,以此推动国内建筑在围护结构方面进一步的节能化、智能化.【期刊名称】《门窗》【年(卷),期】2017(000)008【总页数】3页(P12-14)【关键词】电致变色;光致变色;热致变色;气致变色;智能窗【作者】刘玮;郝雨楠【作者单位】建筑材料工业技术监督研究中心;建筑材料工业技术监督研究中心【正文语种】中文智能窗（smar t windows）最初是由瑞典的Grangris t提出的，它是一种由玻璃或其它透明材料等基材和调光材料所组成的调光智能器件，在一定的物理条件下（如光照、电场、温度），这种器件发生着色或褪色反应，改变自身的颜色状态，从而有选择性地吸收或反射外界的热辐射和阻止内部热扩散，达到调节光强度和室内温度，从而实现节能的目的。

根据其激励方式的不同，可分为电致变色、热致变色、光致变色和气致变色三大类，其中电致变色具有广阔的市场前景。

如今，对智能窗的定义已经从最初的具有电致变色、光致变色等效果的玻璃门窗，发展到了采用变色玻璃和智能遮阳系统于一体，节能、安全、环保的，并安装了风雨检测、防盗、防劫、报警系统技术的门窗。

在这个过程中，除了技术的进步外，我们更多的感受到了人们对门窗这一建筑主要构件的要求与性能在与日俱增，从而推动了科学技术的进步。

随着时间的推移，“智能”二字越来越受人们的推崇和重视，可以预计智能窗已不再简单满足于玻璃单一的“智能”特性，而会向着系统智能的方向不断迈进。

更多高端建筑都将趋向于采用集变色玻璃、绝缘隔热型材边框、遮阳系统，包括智能开闭窗系统和报警系统等于一体的智能系统窗。

它不但满足了人们对于窗户最为原始的采光要求，还丰富了窗户这一建筑主要部件的功能价值，是时代变化，人们需求提升的直观体现。

并且随着能源危机、污染、全球变暖等问题的日益严峻，智能窗也迅速成为研究的热点。