CN105874896B - 多层涂覆系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种能够反射红外线的多层涂覆系统。该多层涂覆系统包括：第1层，其位于衬底上方，并包括：多个球形颗粒物，这些球形颗粒物不规律分布、分离良好、半径为a1，多个分离良好的球形空隙，其半径满足b1＞a1，以及填充材料，其折射率为n1，其插入在球形颗粒物和球形空隙之间；以及可以用下述字方程来代表的后续层，“第i层位于第i‑1层上方，并包括：多个球形颗粒物，这些球形颗粒物不规律分布、分离良好，半径为ai，多个分离良好的球形空隙，其半径满足bi＞ai(其中，bi＞bi‑1)，以及填充材料，其折射率为ni，其插入在球形颗粒物和球形空隙之间”(其中i是大于1的整数)。

Description

多层涂覆系统
技术领域
本公开涉及一种多层涂覆系统，其选择性地反射特定波长范围内的电磁波同时透射其余电磁波。更具体地，本公开涉及一种多层涂覆系统(或者多层膜结构)，用于反射红外电磁波，其中多层涂覆系统的每一层包括随机分布的多个分离良好的球形颗粒物和多个分离良好的球形空隙，以及插入在所述球形颗粒物和球形空隙之间的空间中的填充材料。
背景技术
人造能源的大部分在用于加热和冷却。例如，夏季费用单的大部分经常与运行空调以将室内温度保持为较低中使用的能源有关，而在冬季能源在运行加热器以保持室内温暖中用尽。在加热和冷却中浪费的能源的大部分可以归因于针对热损失的不良隔离。在关于耐热涂料的大多数现有技术中，通过将普通涂料与颗粒物和空隙相混合而将它变成耐热涂料。在其他类似的现有技术中，在膜形成填充材料中混入胶质颗粒物，其中这种材料被应用于类似窗格和玻璃之类的衬底上以阻隔红外电磁波。
关于阻热技术的一类现有技术包括耐热涂料。在美国专利第 4623390号中，在普通涂料中混入玻璃微珠或中空玻璃填充剂以减少直接热导率，其很大地改进了针对热损失的隔离。在一个实施例中，在普通涂料中混入直径范围从约50微米到150微米的玻璃微珠，而在另一个实施例中，在普通涂料中混入直径大约100微米的玻璃微珠。然而，美国专利第4623390号未对本发明中讨论的多层涂覆结构的任何方面进行讨论。
在美国专利第8287998B2号中，在普通涂料中混入选自玻璃、
在美国专利第2010/0203336A1号中，公开了日光反射性屋面颗粒体。在一个实施例中，通过烧结陶瓷颗粒来形成日光反射性颗粒体，其中烧结的陶瓷颗粒被覆盖以日光反射性颗粒。然而，美国专利第2010/0203336A1号未对本发明中讨论的多层涂覆结构的任何方面进行讨论。
在美国专利第2013/0108873A1号中，屋面颗粒剂形成颗粒被覆盖以反射近红外辐射的纳米颗粒层。类似的，在美国专利第 2013/0161578A1号中，屋面颗粒体由具有自然发生的空隙(或疵点) 的红外反射惰性矿心颗粒形成。然而，无论美国专利第 2013/0108873A1号还是美国专利第2013/0161578A1号均未对本发明中讨论的多层涂覆结构的任何方面进行讨论。
在美国专利第2008/0035021A1号中，公开了一种制造磷酸铝中空微珠的方法。其还示出了这种颗粒物如何能够被利用来改进针对热损失的隔离。然而，美国专利第2008/0035021A1号未对本发明中讨论的多层涂覆结构的任何方面进行讨论。
在美国专利第2007/0298242A1号中，公开了一种用于过滤光波的透镜，其中包括金属纳米颗粒物的薄膜层在透镜表面上形成。然而，美国专利第2007/0298242A1号未对本发明中讨论的多层涂覆结构的任何方面进行讨论。
在美国专利2007/0036985A1号中，将氧化铟锡(ITO)细小颗粒物与膜形成混合物相混合以形成反射红外波的薄膜层。然而，美国专利2007/0036985A1号未对本发明中讨论的多层涂覆结构的任何方面进行讨论。
在美国专利第2013/0266800A1号中，公开了一种用于制备铝掺杂氧化锌(AZO)纳米晶体的方法。其还公开了利用该AZO纳米颗粒物反射红外波的薄膜结构。然而，美国专利第2013/0266800A1号未对本发明中讨论的多层涂覆结构的任何方面进行讨论。
本发明特别地类似于美国专利第7760424B2号和美国专利第 8009351B2号，其中公开了利用胶质颗粒物反射红外电磁波的多层薄膜结构。然而，在本发明和前述现有技术之间存在着显而易见的根本不同。概括如下。
下述为美国专利第7760424B2号和美国专利第8009351B2号的说明书：
1.在美国专利第7760424B2号和美国专利第8009351B2号中，多层结构的每层中的颗粒物以规律晶格间隙的方式排列。
a)这是必须要求；没有该要求，美国专利第7760424B2号和美国专利第8009351B2号的说明书中描述的整个工作原理都会失败。
b)这种现有技术可以被归类为光子晶体。
2.美国专利第7760424B2号和美国专利第8009351B2号依赖于用于描述红外反射的Bragg定律。
a)在Bragg定律的框架内，晶格常数(或晶格间隙)确定反射波的波长。
b)这是光子晶体的典型特征。
3.为了使得可见光波长高度透明，美国专利第7760424B2和美国专利第8009351B2需要下述约束：
a)颗粒物的折射率和插入在颗粒物之间空间中的填充材料的折射率必须几乎相等。
b)填充材料的折射率与颗粒物的折射率之间的差小于或等于 0.05。也即，如果填充材料的折射率为nm＝1.5，则颗粒物必须选自于折射率在np＝1.45和np＝1.55之间的材料，从而使|nm-np|≤0.05。
c)这种约束禁止了金属颗粒物的使用，这包括铝、铬、钴、铜、金、铱、锂、钼、镍、锇、钯、铂、铑、银、钽、钛、钨和钒。另一方面，大部分氧化物材料的折射率在np＝1.45和np＝1.55之间，并且因此能够被用于颗粒物。
4.在美国专利第7760424B2号和美国专利第8009351B2号中，红外反射强烈依赖于入射波的入射角度，这是光子晶体的典型特征以及Bragg定律的结果。
下面是本发明的说明书：
1.在本发明中，颗粒物在多层涂覆系统的每一层中随机地分布；
2.本发明依赖于用于描述红外波反射的Mie散射理论；
3.在本发明中，颗粒物优选地选自导体。与美国专利第7760424B2号和美国专利第8009351B2号的情况不同，填充材料和随机分布的颗粒物不需要具有几乎相等的折射率。
4.在本发明的一个或多个示例性实施例中，在多层涂覆系统的每一层中，与随机分布的颗粒物一起还存在随机分布的空隙。
5.在本发明中，红外反射不依赖于入射波的入射角度，这是包括的随机分布的颗粒物(具有或不具有随机分布的空隙)的系统的典型特征。
说明书中的这种显而易见的不同清楚地将本发明与美国专利第 7760424B2号和美国专利第8009351B2号区别开来。
在此列出关于量子点技术的下述现有技术作为参考：美国专利第8362684B2号、美国专利第8395042B2号、美国专利第 2013/0003163A1号以及美国专利第2013/0207073A1号。尽管这些现有技术在技术上与本发明不相关，但是在颗粒物在多层系统的每一层中的分布方面具有较显著的相似性。然而，本公开和所列出的关于量子点技术的现有技术基于根本上不同的物理学并且二者不应被视作相同的。
发明内容
技术问题
本发明的主要目的是提供一种通过反射红外辐射来改进针对热损失的隔离的多层涂覆系统。
技术方案
公开了一种多层涂覆系统，其选择性地反射特定波长范围内的电磁波同时透射其波长在指定范围外的电磁波。公开的多层涂覆系统涉及到多层子涂覆层，其中每个子涂覆层包括随机分布在所述子涂覆层内的多个分离良好的球形颗粒物和多个分离良好的球形空隙。公开的多层涂覆系统中电磁波长的选择性过滤依赖于子涂覆层的特定排列，其中每个子涂覆层的特点是独特直径尺寸的球形颗粒物和球形空隙。
此处公开的多层涂覆系统披露能够很容易地应用到所有类型的纺织品以及任何能够被涂覆的表面，其包括汽车、房屋和建筑物(墙、窗格、屋顶等)、石油管道、天然气管道、水管道、家具、纸张、电子产品、各种家庭用品和电器等。
各种示例性实施例现概括如下。
在第一示例性实施例中，提供了一种包括多层子涂覆层的涂覆系统，其中第一层位于衬底之上，第二层位于第一层之上，第三层位于第二层之上，以及第四层位于第三层之上。第一层包括随机分布的多个半径为a1、良好分离的球形颗粒物，以及插入在所述球形颗粒物之间空间中的折射率为n1的填充材料。第二层包括随机分布的多个半径为a2＞a1、良好分离的球形颗粒物，以及插入在所述球形颗粒物之间空间中的折射率为n1的填充材料。第三层包括随机分布的多个半径为a3＞a2、良好分离的球形颗粒物，以及插入在所述球形颗粒物之间空间中的折射率为n1的填充材料。以及第四层包括随机分布的多个半径为a4＞a3、良好分离的球形颗粒物，以及插入在所述球形颗粒物之间空间中的折射率为n1的填充材料。
在第二示例性实施例中，提供了一种包括多层子涂覆层的涂覆系统，其中第一层位于衬底之上，第二层位于第一层之上，第三层位于第二层之上，以及第四层位于第三层之上。第一层包括随机分布的多个半径为a1、良好分离的球形颗粒物和半径为b1＞a1、良好分离的球形空隙，以及插入在所述球形颗粒物和球形空隙之间空间中的折射率为n1的填充材料。第二层包括随机分布的多个半径为a2＞a1、良好分离的球形颗粒物和多个半径为b2(其中b2＞a2并且b2＞b1)、良好分离的球形空隙，以及插入在所述球形颗粒物和球形空隙之间空间中的折射率为n1的填充材料。第三层包括随机分布的多个半径为a3＞a2、良好分离的球形颗粒物和多个半径为b3(其中b3＞a3并且b3＞b2)的球形空隙，以及插入在所述球形颗粒物和球形空隙之间空间中的折射率为n1的填充材料。以及第四层包括随机分布的多个半径为a4＞a3、良好分离的球形颗粒物和多个半径为b4(其中b4＞a4并且b4＞b3)的球形空隙，以及插入在所述球形颗粒物和球形空隙之间空间中的折射率为n1的填充材料。
在第三示例性实施例中，提供了一种包括多层子涂覆层的涂覆系统，其中第一层位于衬底之上，第二层位于第一层之上，第三层位于第二层之上，以及第四层位于第三层之上。第一层包括随机分布的多个半径为c1、良好分离的球形颗粒物，以及插入在所述球形颗粒物之间空间中的折射率为n1的填充材料。第二层包括随机分布的多个半径为c1、良好分离的球形颗粒物，以及插入在所述球形颗粒物之间空间中的折射率为n2＞n1的填充材料。第三层包括随机分布的多个半径为c1、良好分离的球形颗粒物，以及插入在所述球形颗粒物之间空间中的折射率为n3＞n2的填充材料。以及第四层包括随机分布的多个半径为c1、良好分离的球形颗粒物，以及插入在所述球形颗粒物之间空间中的折射率为n4＞n3的填充材料。
在第四示例性实施例中，提供了一种包括多层子涂覆的涂覆系统，其中第一层位于衬底之上，第二层位于第一层之上，第三层位于第二层之上，以及第四层位于第三层之上。第一层包括随机分布的多个半径为c1、良好分离的球形颗粒物和半径为c2＞c1、良好分离的球形空隙，以及插入在所述球形颗粒物和球形空隙之间空间中的折射率为n1的填充材料。第二层包括随机分布的多个半径为c1、良好分离的球形颗粒物和半径为c2＞c1、良好分离的球形空隙，以及插入在所述球形颗粒物和球形空隙之间空间中的折射率为n2＞n1的填充材料。第三层包括随机分布的多个半径为c1、良好分离的球形颗粒物和半径为c2＞c1、良好分离的球形空隙，以及插入在所述球形颗粒物和球形空隙之间空间中的折射率为n3＞n2的填充材料。以及第四层包括随机分布的多个半径为c1、良好分离的球形颗粒物和半径为c2＞c1、良好分离的球形空隙，以及插入在所述球形颗粒物和球形空隙之间空间中的折射率为n4＞n3的填充材料。
用于衬底的材料可以选自包括导电材料、介电材料、陶瓷材料、复合材料、半导体材料、聚合物材料和纺织品的组。
填充材料可以选自包括介电材料、陶瓷材料、复合材料(复合材料混合物)和聚合物材料的组。
用于每个球形颗粒物的材料可以选自包括导电材料、介电材料和半导体材料的组。
每个球形颗粒物可以由固体材料、中空导电壳、由导电壳围绕的介质核形成，或者由介电壳围绕的导电核形成。
每个球形空隙可以由中空介电壳形成，其中腔可以用气体填充或者是空的。
多层涂覆系统中的每一层的厚度范围从0.01微米到10000微米。
每个球形颗粒物的半径范围从0.001微米到250微米.
每个球形空隙的腔半径范围从0.002微米到500微米。
在第五和第六示例性实施例中，前述示例性实施例(第一、二、三和四示例性实施例)中示出的多层涂覆系统夹在第一电极和第二电极之间，其中将第一电压施加第一电极，并且将不同于第一电压的第二电压施加到第二电极。
电极由平面导体形成，其中导体选自光透明材料，该光透明材料也透射所相关的红外波长。
电极由导体形成，其中导体以网格或栅格结构图案化，或者具有诸如孔或方形阵列等之类的更复杂的图案。相关的红外波长和可见光透射通过图案化电极中的开口。
在电极被图案化的情况下，用于电极的导电材料并不只限于光透明的、或透射所相关红外波长的导电材料，而是可以使用任何导电材料。
有益效果
根据本发明的多层涂覆系统通过反射红外辐射改进了针对热损失的隔离。
附图说明
为了更完整地理解本发明，可参考下文描述和附图，其中：
图1表示根据本发明的多层涂覆系统的示意图；
图2示出了根据本发明的多层涂覆系统的一组实施例，其中横断面视图是沿着图1中的线AB；
图3示出了根据本发明的多层涂覆系统的另一组实施例，其中横断面视图是沿着图1中的线AB；
图4是示出了选择性阻挡(或反射)特定波长范围内的电磁辐射而同时透射其余电磁辐射的示例性操作的图；
图5示出了多层涂覆系统应用于装有热水的管道的两种情况；
图6是(Qext,Qbac,ΔQ＝Qbac-Qext)比波长的点图，其中以电磁辐射照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的半径为a＝300nm 的铝球形颗粒物。
图7是对应于图6中情况的散射辐射的极坐标图剖面，其中从左侧照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的半径为 a＝300nm的铝球形颗粒物。
图8是对应于图6中情况的散射辐射的极坐标图剖面，其中从左侧照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的半径为 a＝300nm的铝球形颗粒物。
图9是(Qext,Qbac,ΔQ＝Qbac-Qext)比波长的点图，其中以电磁辐射照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的半径为a＝100nm 的铝球形颗粒物。
图10是对应于图9中情况的散射辐射的极坐标图剖面，其中从左侧照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的半径为 a＝100nm的铝球形颗粒物。
图11是对应于图9中情况的散射辐射的极坐标图剖面，其中从左侧照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的半径为 a＝100nm的铝球形颗粒物。
图12是ΔQ＝Qbac-Qext比波长的点图，其中以电磁辐射照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的铝球形颗粒物。
图13是ΔQ＝Qbac-Qext比波长的点图，其中以电磁辐射照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的铝球形空隙。
图14是对应于图13中情况的散射辐射的极坐标图剖面，其中从左侧照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的半径为 a＝200nm的铝球形空隙。
图15是对应于图13中情况的散射辐射的极坐标图剖面，其中从左侧照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的半径为 a＝200nm的铝球形空隙。
图16是ΔQ＝Qbac-Qext比波长的点图，其中以电磁辐射照射嵌在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的半径为a＝200nm的铝球形颗粒物。
图17示出了(A)方形晶格和(B)制造过程；以及
图18示出了基于根据本发明的多层涂覆系统的有源电磁波长过滤器的一组实施例，其中横断面视图是沿着图1中的线AB。
具体实施方式
现在将结合附图详细描述各种示例性实施例，其中某些示例实施例示出为相似的参考标号自始至终指示相似的元件。应当理解并非将示例实施例限制为此处公开的特定形式，因为这些示例性实施例仅提供为参考附图解释本公开的各方面。示例实施例在此将覆盖落入本公开范围内的所有修改、等效内容和替代方式。
在附图中，为了清楚可能夸大各层厚度、区域，球形颗粒物和球形空隙的大小，并且在对附图的描述中相似的参考标号自始至终指示相似的元件。示例实施例在此参考理想化实施例的截面例示来描述。由此，示例实施例中特定形状或区域不应当被理解为限于示例实施例中例示的特定形状或区域，而是这种形状或区域可以包括源于制造容差的偏差。例如，示例实施例中的球形颗粒物实际可以用在实际设备中稍微偏离理想球形的椭球形状的颗粒物来表示。
在整个描述过程中，如“第一层”、“第二层”、“第三层”、“第四层”等的术语可以用于指示示例实施例中的特定层。等效地，如“第1 层”、“第2层”、“第3层”、“第4层”的术语等在更合适的任何时候都将可以替代使用。
为了更具体的描述示例实施例，现在将参考附图具体描述各种方面。然而，本发明不限于所描述的示例实施例。
图1中900示出的是本公开中公开的涂覆系统的示意图。图2 中例示的是第一示例性实施例100，其中包括位于衬底10之上的第一层101、位于第一层101之上的第二层102、位于第二层102之上的第三层103以及位于第三层103之上的第四层104。第一示例性实施例100是900沿着线AB的横断面视图。
尽管100(或900)中仅描绘了四个子涂覆层，但是对于多层涂覆系统中的子涂覆层的个数没有任何限制。然而，为了简单例示的原因，在示例性实施例中考虑只具有四个子涂覆层的多层涂覆系统。
在图2的优选实施例100中，每个子涂覆层(101、102、103和 104)被示出为具有不同的厚度级别以强调用于不同子涂覆层的球形颗粒物的大小分布方面的差别。然而，除了子涂覆层必须至少足够厚以包含球形颗粒物之外，对于每个子涂覆层具有怎样的厚度并没有限制。简言之，每个子涂覆层必须至少有其包含的球形颗粒物的直径那么厚。
在示例性实施例100以及接下去的后续示例性实施例中，每个子涂覆层中的球形颗粒物被描绘为具有无序(随机)的排列。尽管在本公开的操作中并未禁止每个子涂覆层中的球形颗粒物具有有序图案排列，诸如晶体结构和光子晶体中的晶格排列，但是优选的是所存在的颗粒物以及任何空隙在每个子涂覆层中随机地分布。其背后的原因很简单。当球形颗粒物以有序图案排列(也即，当颗粒物以一定的晶格间隔排列)时，根据Bragg定律，电磁反射在由晶格常数确定的离散波长值集处深度地发生。尽管这种特征对于只有离散波长值被选作用于调谐的调谐应用来说是理想的，但是其对于本发明的目标应用种类来说并不适合。例如，构成热能大部分的电磁波谱的红外部分，在波长上从0.7微米延伸到大约1000微米。对于成功的阻热操作，需要反射覆盖较广范围波长的红外电磁能量。这样的操作不能利用以规则的晶格间距排列的球形颗粒物来实现，因为根据Bragg定律这样的配置只会在由晶格常数确定的离散波长集处选择性地深度反射。但是，当球形颗粒是随机分布的，红外电磁反射(尽管在幅度上不太深)发生在较广范围的波长处，这是成功热阻热操作的优选特性。
这里公开的多层涂覆系统能够直接应用于任何表面。这些表面包括在房屋、电器、窗户、汽车、纺织品、服装、纸张、电子产品、陶瓷等中发现的表面。因此，如果100代表应用于墙上的涂覆系统 (涂料)的横断面视图，则衬底10代表墙；而如果100是应用于纺织品上的涂覆系统的横断面视图，则衬底10代表织物；并且如果100 是应用于窗格上的涂覆系统的横断面视图，则衬底10代表玻璃。
用于衬底10的材料可以选自包括导电材料、介电材料、陶瓷材料、复合材料、半导体材料、聚合物材料和纺织品的组。在此，陶瓷材料、复合材料、聚合物材料和纺织品被列出似乎它们不同于导电材料、介电材料、或半导体材料的材料。为了澄清任何可能的误解，所有材料可以分为以下三种：导电材料、介电材料、半导体材料。现在，根据材料的实际组成成分，陶瓷材料、复合材料、聚合物材料和纺织品中的每个能够被分类进导电材料、介电材料、或半导体材料。也即，任何时候例如在说明书中提到术语“介电材料”或“介质”，应当理解该术语包括作为电介质的所有材料，其也可以包括被划分为介电材料的任何陶瓷材料、复合材料、聚合物材料、介电材料或纺织品。同样，任何时候在说明书中提到术语“导电材料”或“导体”，应当理解该术语包括作为导体的所有材料，其也包括被划分为导电材料的任何陶瓷材料、复合材料、聚合物材料、或纺织品。并且，任何时候在说明书中提到术语“半导体材料”或“半导体”，应当理解该术语包括作为半导体的所有材料，其也包括被划分为半导体材料的任何陶瓷材料、复合材料、聚合物材料、或纺织品。
澄清了这一点，能够被用于形成衬底10的导电材料的列表包括但不限于：铝、铬、钴、铜、金、铱、锂、钼、镍、锇、钯、铂、铑、银、钽、钛、钨、钒、其合金(例如铝铜和钢)，以及其混合物。能够被用于形成衬底10的复合材料的列表包括但不限于：混凝土、沥青混凝土、纤维增强聚合物、碳纤维增强塑料、玻璃增强塑料、增强橡胶、层压板、胶合板、纸、玻璃纤维、砖和各种复合玻璃。能够被用于形成衬底10的聚合物材料的列表包括但不限于：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚丁二炔、聚环氧化物、聚醚、聚乙烯、聚咪唑、聚酰亚胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、多肽、聚对苯乙炔、多磷酸盐、聚吡咯、多糖、聚苯乙烯、聚砜、聚噻吩、聚氨酯、聚乙烯等。衬底10也可以由其他聚合物材料如琼脂糖、纤维素、环氧树脂、水凝胶、硅胶、硅玻璃、硅氧烷等形成。能够被用于形成衬底10的纺织品的列表包括动物纺织品、植物纺织品、矿物纺织品、合成纺织品、和它们的组合。
100中的每个子涂覆层包括随机分布的多个半径为a、良好分离的球形颗粒物，以及插入在所述球形颗粒物之间空间中的折射率为n 的填充材料。在示例性实施例100中，子涂覆层101包括随机分布的多个分离良好的球形颗粒物11，和插入在所述球形颗粒物之间空间中的填充材料51；子涂覆层102包括随机分布的多个分离良好的球形颗粒物12，和插入在所述球形颗粒物之间空间中的填充材料52；子涂覆层103包括随机分布的多个分离良好的球形颗粒物13，和插入在所述球形颗粒物之间空间中的填充材料53；以及子涂覆层104包括随机分布的多个分离良好的球形颗粒物14，和插入在所述球形颗粒物之间空间中的填充材料54。在100的情况下，填充材料51、 52、53和54的折射率相同。并且，球形颗粒物11、12、13和14 的直径满足d11<d12<d13<d14，在此d11、d12、d13、d14分别是球形颗粒物11、12、13和14的直径。
填充材料51、52、53和54可以选自包括介电材料、陶瓷材料、复合材料(复合材料混合物)和聚合物材料的组。这些的列表包括但不限于：涂料、粘土、胶、水泥、沥青、聚合物材料、明胶、玻璃、树脂、粘合剂、氧化物和它们的组合。复合材料混合物的列表包括涂料、粘土、胶、水泥等。聚合物材料的列表包括但不限于：琼脂糖、纤维素、环氧树脂、水凝胶、聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、聚丁二炔、聚环氧化物、聚醚、聚乙烯、聚咪唑、聚酰亚胺、聚丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、多肽、聚对苯乙炔、多磷酸盐、聚吡咯、多糖、聚苯乙烯、聚砜、聚噻吩、聚氨酯、聚乙烯等。填充材料51、52、53和54也可以由其他聚合物材料如琼脂糖、纤维素、环氧树脂、水凝胶、硅胶、硅玻璃、硅氧烷等形成。各种树脂包括合成树脂如丙烯酸树脂以及植物树脂如乳香酯。基于氧化物的介电材料的列表包括但不限于：氧化铝、氧化铍、铜(I)氧化物、铜(II)氧化物、氧化镝、铪(IV)氧化物、氧化镥、氧化镁、氧化钪、一氧化硅、二氧化硅、五氧化二钽、二氧化碲、二氧化钛、氧化钇、氧化镱、氧化锌、二氧化锆等。
用于球形颗粒物11、12、13和14的材料可以选自包括导电材料、介电材料、半导体材料的组。能够被用于形成球形颗粒物11、 12、13和14的导电材料的列表包括但不限于：铝、铬、钴、铜、金、铱、锂、钼、镍、锇、钯、铂、铑、银、钽、钛、钨、钒、其合金 (例如铝铜和钢)、以及其混合物。球形颗粒物11、12、13和14 也可能由复合体形成，如核壳结构的球形颗粒物，其中导电核被绝缘壳包围，或者反之亦然(绝缘核或腔被导电壳包围)。虽然具有较大折射率的介电材料或半导体材料也可以被选择用于球形颗粒物 11、12、13和14，但是导电材料是首选的选择。
图2的示例性实施例200是示例性实施例100的变形，其中在子涂覆层201、202、203和204中引入随机分布的球形空隙。在示例性实施例200中，来自于不同子涂覆层的球形空隙的直径满足d21< d22<d23<d24，其中d21,d22,d23,和d24分别是球形空隙21、22、23和24 的直径。与100中相同，来自于不同子涂覆层的球形颗粒物的直径满足d11<d12<d13<d14。并且，球形颗粒物和球形空隙的直径的关系为 d11<d21,d12<d22,d13<d23,并且d14<d24。
在随机分布的球形空隙的有限数量变得非常大并且每个空隙的直径变得非常小时，示例性实施例200的多层涂覆系统中的每一子涂覆层变为包括随机分布的球形颗粒物的气凝胶结构。气凝胶是一种合成多孔材料。
球形空隙21、22、23和24可以由中空介电壳形成，其可以被填充以气体。
在示例性实施例100和200中，以及在其他实施例中，每个子涂覆层中的球形颗粒物被绘制为具有一个相等的直径尺寸。例如，在子涂覆层101中，球形颗粒物11的直径尺寸为d11。实际上，制造具有相同直径尺寸的两个不同球形颗粒物如果不是不可能的话也是极其困难的。因此，直径d11,d12,d13,d14可以被理解为平均直径，其中d11是多个球形颗粒物11的平均直径尺寸，其中d12是多个球形颗粒物12的平均直径尺寸，d13是多个球形颗粒物13的平均直径尺寸，以及d14是多个球形颗粒物14的平均直径尺寸。类似地，示例性实施例200中的球形空隙的直径也可以被解释为平均直径。例如，d21是多个球形空隙21的平均直径尺寸，d22是多个球形空隙22的平均直径尺寸，d23是多个球形空隙23的平均直径尺寸，以及d24是多个球形空隙24的平均直径尺寸。
在图3的另一个示例性实施例300中，一种直径尺寸的球形颗粒物跨越不同的子涂覆层301、302、303和304随机分布，其中每个子涂覆层具有不同的折射率。通过将层101、102、103和104分别识别为等同于层301、302、303和304，可以从图1的900中呈现 300的三维示意图。在这一点上，示例性实施例300代表900的沿线 AB的横断面视图。300中不同子涂覆层的折射率满足n61<n62<n63< n64，其中n61,n62,n63,和n64分别代表填充材料61、62、63和64的折射率。
填充材料61、62、63和64可以选自被列出用于填充材料51、 52、53和54的那些材料。
用于球形颗粒物15的材料可以选自那些列出被列出用于球形颗粒物11、12、13和14的材料。
图3的示例性实施例400是示例性实施例300的变形，其中在子涂覆层401、402、403和404中也存在随机分布的球形空隙。如在示例性实施例300中的情况下一样，子涂覆层的折射率满足n61<n62 <n63<n64。然而，球形空隙的直径被选择为使得其大于球形颗粒物15 的直径。示例性实施例400中的球形颗粒物15和球形空隙25的直径满足d15<d25，其中d15和d25分别代表球形颗粒物15和球形空隙25 的直径。
用于球形空隙25的材料可以选自那些被列出用于球形空隙21、 22、23和24的材料。
尽管实施例300(400)已经在此被描述为优选实施例100(200) 的替代，基于300(400)的多层涂覆系统仍面临由于子涂覆层的不同折射率而在不同子涂覆层的界面处发生的内部反射。这种内部反射不可避免地导致多层涂覆系统的自发热。
下文中，将具体描述根据一个或多个示例性实施例的多层涂覆系统的操作。
图4中描绘的是示出了相对于实际(真实的)多层涂覆系统100，理想的多层涂覆系统100中透射和反射操作的示意图。尽管图4示出的透射和反射操作对于实际多层涂覆系统而言可能过于理想化，但是该例示提供了在多层涂覆系统中如何对波长进行选择性过滤的简明描述。稍后将示出实际的多层涂覆系统也表现出与图4所描绘的等效的特征。基于此点，现在描述理想多层涂覆系统中的透射和反射操作。
理想的多层涂覆系统包括理想的子涂覆层。因此，理想的多层涂覆系统100包括理想的子涂覆层101、102、103和104。图4中描绘了理想多层涂覆系统100中的透射和反射操作，其中501描述了与理想的子涂覆层101相关联的透射和反射操作，504描述了理想子涂覆层104的类似操作。图4中未明确标出的其余两个操作方案能够很容易地与理想子涂覆层102、103相关联。
在理想子涂覆层104中，波长为λ的入射电磁波，λ<λ4的被全透射，λ4≤λ≤λc的被全反射，并且λ>λc的被部分透射和部分反射。具有这种波长过滤特性的子涂覆层在窗格中具有有用的应用，其中高度期望反射热量或红外电磁波，而同时透射来自可见光谱以及广播和通信行业使用波长的电磁波。
子涂覆层中反射区域的宽度是有限的。对于理想的子涂覆层 104，反射区域的宽度由Δλ＝λc-λ4给出。一般地，实际子涂覆层具有很窄的反射区域宽度Δλ。出于这个原因，隔热应用中常用的单个子涂覆层对于阻挡红外光谱不期望的所有波长而言是不够的。幸运的是，通过控制子涂覆层中包含的球形颗粒物的直径，子涂覆层中的反射区域能够在波长域中中位移。为了示出这一点，考虑描述理想子涂覆层101中的透射和反射操作的501(参见图4)。可以将501 的结果与504中的结果进行比较，504描述了对于较大直径尺寸的球形颗粒物的理想子涂覆层104中的透射和反射操作。通过比较二者，可以注意到501中反射区域的开始边缘出现在Δλ＝λc-λ4，其中λ4>λ1。 501中反射区域的开始边缘的这种位移归因于子涂覆层101内部随机分布的较小球形颗粒物11。在示例性实施例100中，来自不同子涂覆层的球形颗粒物的直径满足d11<d12<d13<d14；并且在理想多层涂覆系统100中球形颗粒物的这种布置反映了图4中示出的透射和反射操作。
由于其反射区域的有限宽度Δλ，单个子涂覆层对于反射所有不期望波长而言可能是不够的。然而，可以将子涂覆层例如101、102、 103和104层叠在一起以形成具有反射区域较大有效宽度(Δλ)eff的多层涂覆系统。例如，理想的多层涂覆系统100(其中图4示出了其透射和反射操作)具有反射区域有效宽度(Δλ)eff＝λc-λ1。在理想多层涂覆系统100中，未被子涂覆层104反射的不期望波长的电磁波最终被后续的子涂覆层101、102和103反射掉了。图4中被反射的属于波长域λ1≤λ≤λ4中的波不会陷捕在多层涂覆系统100的内部，因为在这些电磁波的行进路径中没有反射区域。例如，假设波长域λ1≤λ≤λ2中的电磁波被反射离开子涂覆层101(参见图4中的501)。这种被反射的电磁波跨过子涂覆层102、103和104行进而无内部反射，最终离开多层涂覆系统100。由于在其行进路径中没有反射区域因此没有内部反射发生。也由于这个原因属于波长域λ1≤λ≤λ4中的任何被反射的电磁波不会导致多层涂覆系统中的自发热。然而，波长域λ>λc中的电磁波由于其跨过后续的子涂覆层行进因此被部分透射和部分反射。这些电磁波受到子涂覆层之间界面处的内部反射。因此，这些电磁波会导致多层涂覆系统100的自发热。幸运的是，波长域λ>λc中的电磁波不像波长域λ≤λ4中的电磁波那么有能量。波长域λ>λc中的这些电磁波在加热多层涂覆系统中的贡献可以被忽视。
在前面的例示中，从顶部对多层涂覆系统进行照射。在示例性实施例100的情况下，顶部是子涂覆层104并且底部是衬底10。也能从底部对多层涂覆系统100进行照射，仍将如图4所示那样描述电磁波的透射和反射的大部分基本操作。例如，波长满足0<λ<λ1的入射电磁波仍将跨过子涂覆层全部透射，而那些波长满足λ>λc的波将部分透射和部分反射。然而，当图2中入射电磁波的方向相反时，发生透射和反射操作中的重要修改。尽管波长满足λ1≤λ≤λ4的入射电磁波仍然全部被反射，但是对于图2中入射电磁波的方向相反的情况，在图4中的波长满足λ4<λ≤λc的那些波被部分反射和部分透射。部分透射进入区域A、B和C中的电磁波经受在不同子涂覆层之间发生的内部反射。这种内部反射导致多层涂覆系统的自发热。
图5A中所示出的是多层涂覆系统应用到运送热水的管道的情况。在这一示例中，管道的表面首先涂覆以子涂覆层SL2，并且接着用子涂覆层SL1涂覆子涂覆层SL2。利用这种子涂覆层的布置，管道内部的“热水”可以被适当地与管道外部的较冷环境温度隔离。假设SL2是其波透射与反射操作在上文中描述的理想子涂覆层，来自“热水”的热波在管道内部由子涂覆层SL2进行内部反射，由此避免“热水”失去热量。另一方面，任何来自外部源的热通过子涂覆层 SL1部分地透射，并且这造成SL1内的内部反射，这将引起整个多层涂覆系统的加热(再参看图4中的区域A、B和C)。尽管传递到“热水”的实际热能的量依赖于外部热源的温度状态，但是这种过程能够只造成经由非辐射热过程(例如，通过直接热传导的热传递) 给“热水”增加更多的热。
图5B所示的是相反的情况，其中子涂覆层SL1和SL2的布置与图5A的情况相反。在这种子涂覆层布置下，管道内部的“热水”不断损失热。例如，来自“热水”的热通过子涂覆层SL1部分地透射，并且这造成SL1内的内部反射，这接着结束了整个多层涂覆系统的加热。在这种配置中，与辐射热过程相比，来自直接热传导过程的热能损失能增加。
下文中，具体描述了实际多层涂覆系统中的透射和反射操作。
与理想子涂覆层104相比，实际子涂覆层104不具有504中所示的那种严格定义的透射和反射区域。然而，当实际子涂覆层彼此叠加以形成多层涂覆系统时，得到的透射和反射操作反映了图4中所讨论的理想涂覆系统的大部分特性。
图6中示出的是从其中将半径a＝300nm的铝球形颗粒物嵌入在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中并被照射以强度Io的入射电磁波的结构获得的反向散射(或反散射)效率因子Qbac、消失效率因子Qext，以及差函数ΔQ＝Qbac–Qext的点图。Mie理论已被用于计算Qbac和Qext。也即，在图6中的点图中能容易地识别出两个完全不同的区域。第一区域I，其具有规定范围0<λ<2.2μm，特征在于ΔQ (ΔQ<0)为负值，而第二区域II，其具有规定范围2.2μm≤λ≤15μm，其特征在于ΔQ(ΔQ>0)为正值。尽管在图6中没有直接显示，对于具有足够大波长的波而言的ΔQ值接近零。在图6的情况下，这种波对应于波长满足λ＞＞15μm的波。ΔQ趋于零的这种区域能够被识别为第三区域III。
对于来自区域I和II的选定波长演示了图6中ΔQ点图的区域与 504(图4)中例示的透射和反射区域之间的对应关系。在该计算中，嵌入在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中的半径a＝300nm的铝球形颗粒物被照射以强度Io的入射电磁波。为了正向和反向散热波的可见演示，针对来自前述区域I和II的每个选定波长在极化图中绘制了散射波强度Is和入射波强度Io的比。选自区域I的波长的结果在图7中示出，选自区域II的波长的结果在图8中示出，其中在两个极化图中铝颗粒物位于中心并且被从左侧照射。图7和图8的结果揭示了来自区域I的波强烈正向散射(即，透射)，而来自区域 II的波显性地反向散射(即，反射)。因此，图6中的区域I能够与 504中的波长域0<λ<λ4相关联；图6中区域II能够与504中的波长域λ4<λ≤λc相关联。尽管在图6和图8中没有直接明显示出，对于足够大的波长散射波强度Is与入射波强度Io的比趋于1。在图6的情况下，该波长对应于那些满足λ＞＞15μm的波。在此区域中的波对应于图4的504中的波长满足λ>λc的那些波，其中波以相等的幅度被部分透射以及部分反射。
图9所示的是从其中将半径a＝100nm的铝球形颗粒物嵌入在折射率n＝1.4962的介质(填充材料)中并被照射以强度Io的入射电磁波的结构获得的反散射效率因子Qbac、消失效率因子Qext，以及差函数ΔQ＝Qbac-Qext。为了正向和反向散热波的可见演示，针对来自图9 中ΔQ<0和ΔQ>0的区域的每个选定波长在极化图中绘制了散射波强度Is和入射波强度Io的比。选自对应于ΔQ<0和ΔQ>0的区域的波长的结果分别在图10和图11中示出，其中在两个极化图中铝颗粒物位于中心并且被从左侧照射。正如图6中的情况，此处的结果也显示了来自于对应于ΔQ<0的区域的波长强烈正向散射，而来自对应于ΔQ＞0区域的波强烈反向散射。然而，与图6中的情况相比，在图9中位于ΔQ＝0处的波长位置向图9中较短波长位移。这种特征与图4中随着球形铝颗粒物的直径尺寸减小(参见图2每个子涂覆层中的颗粒物的直径)“反射区域”向着较短波长移位相一致。最后，在图12中，获得了对应于不同半径的铝球形颗粒物的ΔQ的点图用于比较。对于ΔQs的Mie理论计算，考虑下面的半径：a＝100nm,a ＝300nm,和a＝500nm
图2中的示例性实施例200利用球形空隙来减少与直接热传导相关联的热导率。图13示出的是在将半径为a的球形空隙嵌入在折射率为n＝1.4962的介质(填充材料)中并以强度为Io的电磁波照射的情况下获得的ΔQ点图。计算中所考虑的球形空隙的三种不同半径为a＝200nm,a＝450nm,and a＝700nm。为了正向和反向散射波的可见演示，针对图13中来自ΔQ<0和ΔQ>0的区域的每个选定波长在极化图中绘制了散射波强度Is和入射波强度Io的比。选自对应于ΔQ<0 和ΔQ>0的区域的波长的结果分别在图14和图15中示出，其中在两个极化图中球形空隙位于中心并且被从左侧照射。结果显示了来自于对应于ΔQ<0的区域的波长强烈正向散射(即透射)，而来自对应于ΔQ＞0区域的波很弱地反向散射。这种结果表明了嵌入在介质(填充材料)中的球形空隙在反射红外电磁波中作用微弱。尽管如此，球形空隙在例如涂料之类的混合物中的存在通过减少与直接热传导过程相关联的热转移而改进了针对热损失的隔离。
示例性实施例300是多层涂覆系统的替代性结构，其中子涂覆层中存在随机分布的相同直径尺寸的球形颗粒物，其中每个子涂覆层301、302、303和304分别包括不同折射率的填充材料61、62、 63和64。图16示出的是在其中将半径为a＝200nm的铝球形颗粒物嵌入在折射率为n的介质(填充材料)中的结构下获得的ΔQs。考虑用于图16中的不同介质的折射率为n＝1.5,n＝2,n＝2.5,和n＝3。
另一个示例性实施例400是示例性实施例300的变型，其中与随机分布的球形颗粒物一起在子涂覆层中还存在随机分布的球形空隙。尽管球形空隙在反射红外波方面较弱，但是它们仍然通过减少与直接传导的热转移相关联的热导率而改进针对热损失的隔离。
尽管前述示例中子涂覆层包含很多球形颗粒物，ΔQs却是从单个球形颗粒物情况明确计算得到的，并且那些结果被用来描述子涂覆层中的透射和反射操作。在每个子涂覆层中的球形颗粒物彼此充分分离从而它们之间的相互作用可以被忽略的情况下，这种分析是有效的。对于给定的相关波长，假定为λ，两个最近的相邻球形颗粒物彼此分开～10λ的距离可以被认为是“充分分离”。例如，在504描述了其波透射和反射操作的理想子涂覆层104中，所述“相关波长，λ”可以用来λ＝λ4表示，其波长定义了反射区域的开始边缘。类似地，在501描述了其波透射和反射操作的理想子涂覆层101中，替代地所述“相关波长，λ”可以用来λ＝λ1表示。现在，对于实际的子涂覆层(与理想子涂覆层相比)，波透射和反射的操作的特征在于ΔQ点图。在图6所示的ΔQ的情况下，所述“相关波长，λ”可以从λ中选择，其中的边界由2μm≤λ≤4μm限定。
在图17A示出的二维点阵中，其中直接最近相邻球形颗粒物之间的最近面到面间隔为10λ，半径为a的球形颗粒物所占用的有效面积Aeff由Aeff＝(10λ+2a)2给出。在三维立方点阵的情况下，其中最近相邻球形颗粒物之间的最近面到面间隔为10λ，半径为a的球形颗粒物所占用的有效体积Veff可用Veff＝(10λ+2a)3表示。现在，如果 Vlayer代表100中一个子涂覆层的体积，则在该子涂覆层中的球形颗粒物的总个数(Np)由Np＝Vlayer/Veff或Np＝Vlayer/(10λ+2a)3给出。球形颗粒物的总重量(即，子涂覆层中全部球形颗粒物的重量)由Wp＝Npmg或Wp＝4.1888ρa3gVlayer/(10λ+2a)3给出，其中g是重力常量，ρ是颗粒物的质量密度，并且m是由m＝ρ(4/3)πa3或m＝ 4.1888ρa3定义的单个球形颗粒物质量。图17A中的最近相邻面到面间隔长度10λ仅仅是对在该处球形颗粒物之间的相互作用可以被忽略的间隔距离的近似数。因此，在此任何大于10λ的间隔距离也成为有效分析。在这一点上，Np和Wp可以被重新表达为Np≤Vlayer/(10λ +2a)3和Wp≤4.1888ρa3gVlayer/(10λ+2a)3。
通常，电磁波在包括随机分布颗粒物的混合物中的散射需要来自单个颗粒物配置的散射解的明确计算。并且，通常这种散射解对于解释这种混合物中的散射现象已经足够。例如，在牛奶罐或积云中的光透射和反射可以被涉及在牛奶罐的情况下是单个奶粒子或在积云的情况下是单个雨点的Mie理论问题所量化地解释。在前述示例性实施例中，已经考虑了随机分布的铝颗粒物与(或者不与)随机分布的空隙一起嵌入在材料介质中的情况。从物理学的观点看，这种系统中的电磁散射现象涉及单个粒子Mie理论解。在本说明书中使用的物理学的细节可以在下述参考文献中找到：C.Bohren和 D.Huffman,“Absorption andScattering of Light by Small Particles,” John Wiley&Sons,Inc.,1998；ISBN 0-471-29340-7。
当然，图17A中的间隔距离10λ并没有什么特殊的。如果替代地两个最近的相邻球形颗粒物之间不同的间隔距离，例如5λ，能够被考虑为球形颗粒物在该处被认为是“充分分离的”的长度，则Np和 Wp将由Np≤Vlayer/(5λ+2a)3和Wp≤4.1888ρa3gVlayer/(5λ+2a)3简单给出。该间隔距离(在该处两个颗粒物能够被认为足够远从而二者之间的相互作用可以被忽略)很大程度依赖于所涉及颗粒物的类型。例如，如果颗粒物是带电的，则10λ的间隔距离对于忽略两个颗粒物之间的相互作用可能是不够的。无论怎样，图17A中对10λ的选择使得大部分类型的颗粒物包括铝颗粒物“充分分离”。
前述示例中的λ代表其中球形颗粒物(以及球形空隙)随机分布的材料介质(填充材料)内部的电磁波的波长。前述ΔQ点图中的波长λ因此代表介质内部的电磁波的波长。相应的自由空间波长λo由λo＝nλ给出，其中n是保持颗粒物(以及空隙)在内部的介质的折射率。
制造多层涂覆系统涉及的简单过程包括(1)准备用于每个子涂覆层的混合物以及(2)将这些混合物应用到衬底上以形成子涂覆层。图17B示出的是这种过程。具有第一溶液的的第一容器被混合以一种尺寸的球形颗粒物以及另一种均一尺寸的球形空隙，每个在图中分别标为“较小颗粒物”和“较小空隙”。具有第二溶液的第二容器被混合以较大球形颗粒物和球形空隙，每个在图中分别标为“较大颗粒物”和“较大空隙”。在铝球形颗粒物和中空玻璃球被混入普通涂料的情况下，图17B中第一容器中的“第一溶液”和第二容器中的“第二溶液”可以用所述普通涂料来形成。衬底上的第一子涂覆层能够通过将衬底浸入图17B中所示的第一容器中而形成。衬底随后可以被干燥和/或固化，然后浸入第二容器以形成第二子涂覆层。利用图17B所示的浸入方法，能够在衬底的两个表面上形成多层涂覆系统。对于不能利用浸入方法的衬底，诸如房屋表面或汽车表面，多层涂覆系统的每一层可以通过喷涂方法在衬底上形成。
尽管上述演示涉及了混合物，即图17B中的“第一溶液”和“第二溶液”，其中普通涂料被混合以铝颗粒物和球形空隙，但用于多层涂覆系统中的每个子涂覆层的混合物也可以通过将铝球形颗粒物和空隙与任何溶液混合来准备。这些包括但不限于溶剂类涂料、复合材料混合物(如胶水、粘土等)，聚合物材料(如聚氨酯、弹性体、塑料、明胶、环氧树脂、丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸甲酯等)，以及各种树脂和粘合剂例如水泥等，列出了这些作为例子。作为替代示例，一种尺寸的铝球形颗粒物和另一种直径尺寸的球形空隙可以混合在一个液化PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)溶液中。在这种特定情况下，图17B中的“第一溶液”可以用液化PMMA表示。图17B中的“第二溶液”也可以用液化PMMA表示，但是其混合的铝颗粒物和球形空隙比在“第一溶液”中混合的那些具有更大的直径尺寸。在前面例示的浸入过程之后能够在衬底上形成多层涂层系统。在另一替代示例中，可以在用聚合物材料诸如聚氨酯形成的溶液中混合铝球形颗粒物和空隙。在这种情况下，图17B中的“第一溶液”和“第二溶液”将用聚氨酯溶液来表示，其中每种溶液容纳适当直径尺寸的铝颗粒物和空隙。可以在之前例示的浸入步骤之后通过将织物浸泡(或浸入)在“第一溶液”和“第二溶液”中来在织物上形成多层涂覆系统。类似的，可以通过重复相似的步骤在纺织纤维线上形成多层涂覆系统。这种涂覆有多层涂覆系统的线可以被用于制作耐热服装。
图18的示例性实施例500是有源电磁波长过滤器的例示，其中通过应用电场能够使反射区域的开始边缘(例如，图4中504的λ4) 位移。通过给电极5和6施加偏置电压而在电极之间生成电场。在没有电场的情况下半导体材料表现得类似于介电材料。但是当暴露于电场下，半导体材料表现得类似于导电材料。这种特性可以被利用来有效地控制电磁波开始变得被反射之处的波长。例如，能够通过控制电场强度、对应于504的子涂覆层暴露于的电场的强度来使图4的504中的λ4的值位移。
图18的另一示例性实施例600是实施例500的变型，其中在子涂覆层中与随机分布的球形颗粒物一起还存在随机分布的球形空隙。尽管图18中的示例性例示是基于多层涂覆系统100和200的，但是图3的替代示例性实施例300和400也可以被用于代替100和 200。
图18中的示例性实施例500和600的电极5和6可以由对于相关波长而言透明的平面导体形成。例如，在红外反射器的情况下，上电极5必须对于相关的红外电磁波透明。此外，如果示例性实施例500和600中所示的多层涂覆系统是光透明的，则电极5和6都必须是光透明的，并且透射相关的红外波。
通常，电极5或6或二者也可以以栅格或栅结构图案化，或者以诸如孔或方形阵列等的更复杂的图案来图案化。当电极以这种结构图案化时，相关的红外波长和可见光能够透射通过图案化的电极的开口。在电极以开口图案化的情况下，用于电极的导电材料不仅限于透射相关红外波长的光透明导体，而是能够使用任何导电材料。
前文是对各种示例实施例的例示并且不应被解释为对其进行限制。本领域普通技术人员将注意到在示例实施例中很多修改都是可能的，而不偏离新颖的教导和益处。所有这些修改都将被包含在由权利要求定义的本公开的范围内。
工业应用
根据本发明的利用颗粒物的阻热系统能够工业地应用到使用阻热系统的领域。

Claims (25)

1.一种多层涂覆系统，包括：
第一层，包括随机分布以彼此分离的、平均半径为a1且平均粒子折射率为p1的多个球形颗粒物，以及位于所述多个球形颗粒物之间的空间中的折射率为n1的填充材料；以及
具有i_max-1层的后续层，i_max大于等于2，所述后续层包括：
位于第i层之上的第i+1层，所述第i+1层包括：随机分布以彼此分离的、平均半径为ai+1且平均粒子折射率为pi+1的多个球形颗粒物，以及位于所述多个球形颗粒物之间的空间中的折射率为ni+1的填充材料，i是从1到i_max-1的整数，
其中在i_max层中至少两层在选自由以下各项组成的组的至少一项方面具有不同值：所述多个球形颗粒物的平均半径，所述多个球形颗粒物的平均粒子折射率，和所述填充材料的折射率，从而被所述至少两层反射的电磁波的波段彼此不同；且
其中，关于待散射的入射电磁波的特定波长，所述多个球形颗粒物的平均半径通过利用Mie理论确定，从而作为反向散射效率因数减去消光效率因数的值的差函数大于预定正值，并且所述入射电磁波直接被所述多个球形颗粒物散射。
2.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中所述第一层和/或所述第i_max层位于基板上，且所述基板包括选自由导电材料、介电材料、陶瓷材料、半导体材料、聚合物材料、和织物组成的组的至少一种。
3.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中至少一层具有从0.01微米到10000微米范围的厚度。
4.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中至少一层的所述填充材料包括选自由聚合物材料、粘合剂、树脂、介电材料、氧化物材料、和陶瓷材料组成的组的至少一种。
5.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中至少一层的所述多个球形颗粒物包括导电材料。
6.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中至少一层的所述多个球形颗粒物包括介电材料。
7.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中至少一层的所述多个球形颗粒物包括半导体材料。
8.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中至少一层的所述多个球形颗粒物具有从0.001微米到250微米范围的平均半径ai。
9.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中当i是1到i_max-1的任何值时，折射率ni等于所述折射率ni+1和/或平均粒子折射率pi等于所述平均粒子折射率pi+1。
10.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中当i是1到i_max-1的任何值时，所述折射率ni+1大于所述折射率ni或所述平均粒子折射率pi+1大于所述平均粒子折射率pi。
11.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中当i是1到i_max-1的任何值时，所述多个球形颗粒物的平均半径ai+1大于所述多个球形颗粒物的平均半径ai或所述平均粒子折射率pi+1大于所述平均粒子折射率pi。
12.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中当i是1到i_max-1的任何值时，所述多个球形颗粒物的平均半径ai+1等于所述多个球形颗粒物的平均半径ai和/或所述平均粒子折射率pi等于所述平均粒子折射率pi+1，且所述折射率ni+1大于所述折射率ni。
13.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，还包括：
在所述第一层中随机分布以彼此分离的、平均半径为b1的多个空隙；和
在所述第i+1层中随机分布以彼此分离的、平均半径为bi+1的多个空隙。
14.根据权利要求13所述的多层涂覆系统，其中当i是1到i_max-1的任何值时，所述第i+1层的所述多个空隙的平均半径bi+1大于所述第i层的所述多个空隙的平均半径bi。
15.根据权利要求13所述的多层涂覆系统，其中当i是1到i_max-1的任何值时，所述第i+1层的所述多个空隙的平均半径bi+1等于所述第i层的所述多个空隙的平均半径bi。
16.根据权利要求13所述的多层涂覆系统，其中当i是1到i_max-1的任何值时，所述多个空隙的平均半径bi+1等于所述多个空隙的平均半径bi且所述折射率ni+1大于所述折射率ni。
17.根据权利要求13所述的多层涂覆系统，其中所述至少一层的多个空隙包括中空介电壳，所述中空介电壳具有从0.002微米到500微米的范围的腔半径。
18.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，还包括：
第一电极，其位于邻近所述第i_max层的两个表面中距离所述第一层较远的一个表面；和
第二电极，其位于邻近所述第一层的两个表面中距离所述第i_max层较远的一个表面，
其中第一电压被施加于所述第一电极，且
不同于所述第一电压的第二电压被施加于所述第二电极。
19.根据权利要求2所述的多层涂覆系统，其中所述织物是具有细长形状的纤维。
20.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中至少一层的所述多个球形颗粒物具有核壳结构，所述核壳结构包括：
壳，其包括选自由导电材料、介电材料、和半导体材料组成的组的至少一种第一材料，和
核，其包括不同于所述第一材料的、选自由导电材料、介电材料、和半导体材料组成的组的至少一种第二材料。
21.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中至少一层的所述多个球形颗粒物包括中空导体壳。
22.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中至少一层的所述多个球形颗粒物包括中空半导体壳。
23.根据权利要求1所述的多层涂覆系统，其中至少一层的所述多个球形颗粒物包括中空介质壳。
24.根据权利要求13所述的多层涂覆系统，其中所述多个空隙的平均半径bi大于所述多个球形颗粒物的平均半径ai。
25.根据权利要求18所述的多层涂覆系统，其中在所述第一电极和/或第二电极上形成光从其透射的图案。
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