CN104596137A - 一种纳米石墨晶电介质复合薄膜结构及应用 - Google Patents

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刘涌
王慷慨
伍枝正
程波
宋晨路
韩高荣
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Abstract

本发明公开了一种纳米石墨晶电介质复合薄膜结构，具有两相复合的电介质基体和纳米石墨晶粒，纳米石墨晶粒的尺寸在3nm～20nm范围内，纳米石墨晶粒均匀分布在复合薄膜中，且与电介质基体在纳米尺度上进行复合，复合尺度在50nm以下。本发明还公开了一种纳米石墨晶电介质复合薄膜结构的应用，将所述的纳米石墨晶电介质复合薄膜结构与低辐射率层串联，使其同时具优异的太阳光吸收特性与较低的辐射性能，成为一种高效的太阳能能源材料，应用于太阳能选择吸收领域。

Description

一种纳米石墨晶电介质复合薄膜结构及应用
技术领域
本发明涉及太阳光谱选择吸收领域，尤其涉及一种纳米石墨晶电介质复合薄膜结构及应用。
背景技术
纳米复合材料常具有优异光电特性，如表面等离子体共振，电致发光，电致变色等，这主要得益于其纳米效应以及可调式的复合结构。其中，将纳米金属颗粒与电介质复合制备而成的金属陶瓷便具有优异的吸收特性，纳米金属颗粒具有较高的电子密度，能够引起局域表面等离子体共振来提高对光的吸收能力，且通过调整纳米颗粒的尺寸以及电介质基体的光学参数便可以调制该复合材料的光谱吸收范围。然而，由于纳米金属颗粒具有较高的化学活性与拙劣的高温稳定性，金属陶瓷在中高温领域的应用受到了诸多限制，无法满足一些关于耐久性方面的要求。而石墨作为一种具有金属特性的非金属材料，具有优良的电学性能，且化学稳定性优异，可替代金属作为纳米颗粒与电介质复合，使其既具有与金属陶瓷类似的吸收特性，又具备优良的稳定性，成为一种十分具有潜力的新型复合材料。
太阳能光热转换材料是一种能够充分吸收太阳光并将其高效转换成热能的新能源材料，而纳米石墨晶/电介质复合薄膜结构优异的吸收特性与稳定性尤其适合于该领域的应用。将该复合薄膜与一低辐射率层串联使用，复合薄膜朝向阳光，便可以使得该材料既具有高效的太阳光吸收能力，又具备较低的热辐射率来减少热辐射的损失以达到高效利用太阳能的目的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新型纳米复合材料、该复合材料具有优异的光谱吸收特性和化学稳定性，并适用于太阳能光热转换领域。
一种纳米石墨晶电介质复合薄膜结构，具有两相复合的电介质基体和纳米石墨晶粒，所述纳米石墨晶粒的尺寸在3nm～20nm范围内，在该尺寸范围内的石墨晶会具有较强的吸收特性，主要源于其散射效应已经局域表面等离子体共振效应。
纳米石墨晶粒均匀分布在复合薄膜中，且与电介质基体在纳米尺度上进行复合，复合尺度在50nm以下，即在任意50nm范围内都存在石墨晶和电介质的两相复合，这种纳米尺度的复合能有效提高其光电性能。
其中，所述的电介质为TiO2、SiO2或ZrO等。
该结构属于薄膜材料，薄膜厚度应在100～1000nm范围内，低于100nm的薄膜会因为光程过短无法对光进行充分吸收，而大于1000nm的薄膜会因为太厚而影响低辐射层的辐射率。
一种纳米石墨晶电介质复合薄膜结构的应用，将所述的纳米石墨晶电介质复合薄膜结构与低辐射率层串联，使其同时具优异的太阳光吸收特性与较低的辐射性能，成为一种高效的太阳能能源材料，应用于太阳能选择吸收领域。
其中，所述的低辐射率层为辐射率低于0.1的涂层或基底材料，辐射率越低，其吸收效率越高。
其中，所述的低辐射率层为金属基板或金属镀层，如铜，不锈钢，铝，金，银等。
本发明的纳米石墨晶电介质复合薄膜结构，具有优异的光谱吸收特性和化学稳定性，该复合薄膜与一低辐射率层串联使用，复合薄膜朝向阳光，便可以使得该材料既具有高效的太阳光吸收能力，又具备较低的热辐射率来减少热辐射的损失以达到高效利用太阳能的目的。
附图说明
图1为纳米石墨晶电介质复合薄膜结构的结构图；
图2是纳米石墨晶/TiO2复合薄膜结构的TEM照片；
图3是纳米石墨晶的TEM晶格条纹；
图4是纳米石墨晶/TiO2复合薄膜结构的断面SEM照片；
图5是该复合薄膜镀在铜基板上的太阳光光谱吸收特性。
图6是该复合薄膜镀在铜基板上的红外光谱特性。
具体实施方式
如图1所示，一种纳米石墨晶电介质复合薄膜结构，具有两相复合的电介质基体和纳米石墨晶粒，纳米石墨晶粒的尺寸在3nm～20nm范围内，电介质基体和纳米石墨晶粒的复合尺度在50nm以下，且薄膜厚度在100～1000nm范围内，常用的电介质为TiO2、SiO2或ZrO。
将上述的纳米石墨晶电介质复合薄膜结构与低辐射率层(辐射率低于0.1)串联，使其同时具优异的太阳光吸收特性与较低的辐射性能，成为一种高效的太阳能能源材料，应用于太阳能选择吸收领域。
以制备一种纳米石墨晶与电介质二氧化钛的复合薄膜为例，并镀于具有低辐射性能的铜基板上，具体方法如下：
1)将钛酸四丁酯和乙酰丙酮搅拌均匀，乙酰丙酮与钛酸四丁酯的摩尔比为2，获得A溶液；
将水杨酸加入至乙醇中，搅拌混合，得到B溶液，水杨酸和乙醇的摩尔比为2，水杨酸和钛酸四丁酯的摩尔比为25；
2)将B溶液逐滴加入A溶液中，搅拌混合均匀，并在室温下陈化24h；
3)铜基板清洗：将铜基板用粗砂纸打磨→细磨→抛光→丙酮清洗；
4)利用旋涂仪将步骤2)得到的凝胶旋涂在铜基板上，其转速为1000r/min匀胶9s和3000r/min下30s；
5)将该薄膜在高真空下进行热处理，热处理温度为600℃，真空度为10-4Pa，保温时间为60min。
制备而成的薄膜其TEM照片如图2所示，石墨颗粒的晶格条纹如图3所示，可以看到清晰的晶格条纹，对应石墨晶体的(002)及(100)晶面。石墨晶断面结构如图4所示，薄膜厚度约为250nm。将该结构与Cu基板串联使用，其光谱特性如图5与图6所示，可计算出材料的太阳光吸收率为0.94，红外辐射率约为0.10，说明其具有较高的太阳能光热转换效率。

Claims (7)

1.一种纳米石墨晶电介质复合薄膜结构，其特征在于，具有两相复合的电介质基体和纳米石墨晶粒，所述纳米石墨晶粒的尺寸在3nm～20nm范围内。
2.如权利要求1所述的纳米石墨晶电介质复合薄膜结构，其特征在于，电介质基体和纳米石墨晶粒的复合尺度在50nm以下。
3.如权利要求1所述的纳米石墨晶电介质复合薄膜结构，其特征在于，所述的电介质为TiO2、SiO2或ZrO。
4.如权利要求1所述的纳米石墨晶电介质复合薄膜结构，其特征在于，薄膜厚度在100～1000nm范围内。
5.一种权利要求1～4任一项所述纳米石墨晶电介质复合薄膜结构的应用，其特征在于，将所述的纳米石墨晶电介质复合薄膜结构与低辐射率层串联，制成一种复合薄膜。
6.如权利要求5所述的应用，其特征在于，所述的低辐射率层为辐射率低于0.1的涂层或基底材料。
7.如权利要求6所述的应用，其特征在于，所述的低辐射率层为金属基板或金属镀层。
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