CN112965312A - 一种智能热控薄膜器件 - Google Patents

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Abstract

一种智能热控薄膜器件，属于热控制技术领域。包括底层衬底，形成于底层衬底之上的热致变发射率层，形成于底层衬底之上、未覆盖热致变发射率层区域的电致变发射率功能单元，所述电致变发射率功能单元包括依次设置的铝箔、离子存储层、对电极、吸附电解质的有机滤膜、工作电极、电致变发射率薄膜、封装层，所述铝箔与底层衬底紧密贴合。本发明将电致变发射率功能单元和热致变发射率功能单元集成在同一衬底上，可同时在相互不受影响的情况下通过响应温度变化和主动调控电压来调整发射率，从而满足热控制的需求，有效解决了现有技术无法同时充分发挥电致变色和热致变功能来满足热控需求的问题。

Description

一种智能热控薄膜器件
技术领域
本发明属于热控制技术领域，具体涉及一种智能热控薄膜器件。
背景技术
随着世界各国探索和开发宇宙的活动越来越频繁，航天器及其相关技术作为核心部分一直受到世界各大强国的高度重视，其中，航天器的热控制技术领域一直是研究的重点和难点。航天器的稳定运行离不开其内部所有设备和载荷单元持续高效运转，而航天器要确保设备的稳定运行必须维持-10℃～50℃的恒定温度环境，然后航天器在运行过程中通常面临着极端和多变的温度环境(最低温度可达-200℃，最高温度可达250℃；温度波动范围超过正负150℃)，并且航天器在执行变轨、快速机动等复杂的空间任务时需要足够的能源储备，对于内部的能源配置和能耗控制有着很高的要求，因而需要寻求一种能够根据航天器在执行不同任务时面临的不同环境状况实时自主调整与外界热交换能力的智能热控制技术。
当前已报道的航天热控制技术分为被动热控技术和主动热控技术，被动热控制技术包括热管、热控涂层、多层隔热组件、导热填料等，具备高可靠性、使用寿命长，但是对环境温度变化无反馈作用，一旦确定状态后基本无法调节。主动热控制技术包括热控百叶窗、电加热器、热电制冷器、机械制冷机、电致变发射率器件等，可根据变化的内、外环境温度自主调整相关的热控系统来精准调节各种传热参数。
热致变发射率材料，是指材料随温度变化发生金属态和绝缘态的转变(MIT)，发射率也随之发生相应变化。其中，钙钛矿型复合氧化物(A1-xBxMO3)和二氧化钒(VO2)是热致变发射率材料应用于热控制的典型代表，通过对热致变发射率材料成分、结构、膜厚等的设计可使其在低温下表现为红外低发射特性，高温条件下表现为红外高发射率，从而帮助航天器达到调控表面热交换性质的目的。电致变发射率薄膜器件，是指薄膜在外加电场的驱动下发生变化，表现为热辐射率的可调可变，其中，以钛酸锂(Li4Ti5O12)、石墨烯、聚苯胺为代表的电致变发射率薄膜通过外加电场的控制实现从高红外发射率到低红外发射率的切换，可帮助航天器在不同时间和空间的内、外部热环境中达到自主控制热交换系统的目标。公开号为CN 105840060 A的中国专利公开了一种热致变色/电致变色双功能器件，包括上导电衬底、电解质、复合薄膜和下导电衬底，其中，复合薄膜是通过将电致变色材料和热致变色材料混合后涂覆于衬底上得到的，尽管该复合薄膜可实现对电致变色性能和热致变色性能的检测，但是由于两种材料混合对电学光学性能的影响，使得该器件无法同时充分发挥电致变色和热致变色功能来满足热控制需求。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种智能热控薄膜器件。该智能热控薄膜器件将电致变发射率功能单元和热致变发射率功能单元集成在同一衬底上，且两者之间不会相互影响，解决了现有技术无法同时充分发挥电致变色和热致变功能来满足热控需求的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种智能热控薄膜器件，其特征在于，包括底层衬底，形成于底层衬底之上的热致变发射率层，形成于底层衬底之上、未覆盖热致变发射率层区域的电致变发射率功能单元，所述电致变发射率功能单元包括依次设置的铝箔、离子存储层、对电极、吸附电解质的有机滤膜、工作电极、电致变发射率薄膜、封装层，所述铝箔与底层衬底紧密贴合。
进一步地，所述底层衬底具体为铝片或氧化钇稳定氧化锆(YSZ)等。
进一步地，所述热致变发射率层包括热致变发射率材料和基料，热致变发射率材料的质量百分比为40wt％～70wt％，基料的质量百分比为30wt％～60wt％。其中，所述热致变发射率材料为钙钛矿锰氧化物、二氧化钒等；所述基料包括氨基树脂和热塑性丙烯酸树脂，氨基树脂和热塑性丙烯酸树脂的质量比为1：(3～5)。
进一步地，所述离子存储层具体为聚苯胺、钛酸锂、聚吡咯、聚噻吩衍生物等。
进一步地，所述工作电极和对电极具体为多孔金膜、银膜、铜膜等。
进一步地，所述有机滤膜基底具体为尼龙滤膜、聚醚砜滤膜或醋酸纤维素滤膜等。
进一步地，所述电解质包括：0wt％～5wt％LiClO4、0wt％～5wt％LiPF6、0wt％～5wt％LiTFSI、15wt％～30wt％PC、3wt％～6wt％PMMA、70wt％～80wt％乙腈；所述电解质渗透到有机滤膜基底中。
进一步地，所述电致变发射率薄膜具体为聚苯胺(PANI)、钛酸锂(Li4Ti5O12)、石墨烯等。
进一步地，所述封装层为PE膜等具有红外透过性的材料。
进一步地，所述热致变发射率层的厚度为200～2000nm；封装层厚度为0.05～0.1mm；。
一种智能热控薄膜器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、清洗底层衬底；
步骤2、将热致变发射率材料和基料混合，得到热致变发射率涂层浆料；其中，热致变发射率材料的质量百分比为40wt％～70wt％，基料的质量百分比为30wt％～60wt％；
步骤3、在底层衬底上放置掩膜版，采用旋涂法、丝网印刷法等方法在底层衬底上制备厚度为200～2000nm的图形化热致变发射率层；
步骤4、裁剪与步骤3所述掩膜版形状完全相同的有机滤膜基底，清洗，烘干；
步骤5、采用电子束蒸发法在步骤4清洗后的有机滤膜基底的正面和反面分别沉积厚度为100～200nm的多孔工作电极和对电极；
步骤6、在步骤5得到的工作电极上制备电致变发射率薄膜，对电极上制备离子存储层；
步骤7、在步骤3得到的复合结构未覆盖热致变发射率层的区域，按照“铝箔、离子存储层、对电极、吸附电解质的有机滤膜、工作电极、电致变发射率薄膜、封装层”的顺序层叠，铝箔通过导电胶与底层衬底贴合，即可得到所述智能热控薄膜器件。
进一步地，步骤3中，图形化热致变发射率层的制备过程具体为：在底层衬底上放置图形化的掩膜版，将步骤2制得的浆料均匀涂覆于未被覆盖的底层衬底区域，旋涂转速为2000～4000r/min，时间为30～60s，完成后，在室温下静置流平4～8h，即可得到热致变发射率层。
进一步地，步骤3中，图形化热致变发射率层的制备过程具体为：在底层衬底上依次放置图形化的掩膜版和丝网印刷网版，将步骤2制得的浆料滴至丝网印刷网版上，用带有支架的刮刀以30～60度的角度和40～60mm s-1的恒定速度刮过丝网印刷网版，在剪切力的作用下将浆料印刷到底层衬底上，完成后，在室温下静置流平4～8h，即可得到热致变发射率层。
本发明提供的一种智能热控薄膜器件，其工作原理为：
本发明智能热控薄膜器件覆盖被控温设备作为热辐射表面时，随着被控温设备温度的升高，可在-3V～+3V的范围内调整智能热控薄膜器件的驱动电压(工作电极与对电极两端的电压)，使电致变发射率功能单元的发射率升高，从而向环境辐射大量的热量，进而降低设备的温度。当设备温度达到所述热控器件的热致相转变温度时，热致变发射率层的发射率升高，与电致变发射率功能单元共同调控设备的温度。反之，当设备温度比环境温度低时，在-3V～+3V的范围内调整智能热控薄膜器件的驱动电压(工作电极与对电极两端的电压)，使电致变发射率功能单元的发射率降低，温度低于热致相变温度时热致变发射率功能层发射率同时降低，两者协同使设备只向环境辐射很低的热量，从而保持自身温度水平，维持设备的正常运转。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种兼具热致变发射率和电致变发射率功能的智能热控薄膜器件，将电致变发射率功能单元和热致变发射率功能单元集成在同一衬底上，可同时在相互不受影响的情况下通过响应温度变化和主动调控电压来调整发射率，从而满足热控制的需求，有效解决了现有技术无法同时充分发挥电致变色和热致变功能来满足热控需求的问题。
附图说明
图1为本发明提供的一种智能热控薄膜器件的结构示意图；其中，1—底层衬底，2—热致变发射率层，3—铝箔，4—离子存储层，5—多孔对电极，6-有机滤膜基底和渗透到其中的电解质，7—多孔工作电极，8—电致变发射率薄膜，9—封装层；
图2为本发明提供的智能热控薄膜器件的整体示意图；其中，工作电极与对电极分别通过引线与电源的正负极相连；
图3为本发明提供的一种智能热控薄膜器件的原理图；其中，热致变发射率层在温度变化时改变发射率，电致变发射率功能单元在电压驱动下主动改变发射率。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
实施例1
一种智能热控薄膜器件的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、裁剪10～100cm2的铝片作为底层衬底，依次采用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，晾干待用；
步骤2、配制热致变发射率涂层浆料：称取21.6505g硝酸镧晶体、14.8141g硝酸锶粉末、14.316g硝酸锰溶液，混合后加入到100mL浓度为20wt％的硝酸水溶液中，在60℃水浴下搅拌1h，得到前驱体溶液；在前驱体溶液中加入12.6084g的一水合柠檬酸，在60℃水浴下继续搅拌3h，加入5～10mL乙二醇，继续搅拌8h，直至获得棕色凝胶；将凝胶置于管式炉中，在450～550℃下煅烧1.5～3h，自然降温至室温后，取出，研磨，得到粉末样品；将粉末样品在管式炉中700～900℃高温退火4～6h，得到热致变发射率材料；在20g得到的热致变发射率材料中加入4g氨基树脂和16g热塑性丙烯酸树脂作为基料，混合均匀，得到热致变发射率涂层浆料；
步骤3、在底层衬底上放置图形化的掩膜版，将步骤2制得的浆料在匀胶机上均匀涂覆于未被覆盖的底层衬底上，旋涂转速为2000r/min，时间为30s，完成后，在室温下静置流平8h，即可得到厚度为1000nm的热致变发射率层；
步骤4、裁剪与步骤3所述掩膜版形状完全相同的尼龙滤膜作为基底材料，采用无水乙醇清洗，烘干；
步骤5、采用电子束蒸发法在步骤4清洗后的尼龙滤膜的正面和反面分别沉积厚度为100nm的多孔金膜作为工作电极和对电极；
步骤6、将13.6128g钛酸四丁酯和3.2995g醋酸锂混合后加入到100mL异丙醇溶剂中，加入1mL表面活性剂P123{(EO)20(PO)70(EO)20}和10mL水解抑制剂醋酸，搅拌混合均匀，得到Li4Ti5O12前驱体，然后在600～800℃下烧结1.5～3h，得到粒度分布均匀的纳米粉体；取所得的Li4Ti5O12纳米粉体9.8g和PVDF粉末0.2g混合研磨后，添加到20～30mL 1-甲基-2-吡啶酮(NMP)中，得到分散均匀的电致变发射率浆料；
步骤7、将步骤6得到的电致变发射率浆料均匀涂覆于步骤5得到的多孔工作电极和对电极上，烘干；
步骤8、在20g乙腈溶剂中加入5g PC、1g PMMA、0.5g高氯酸锂，混合后在60℃油浴下搅拌，得到凝胶电解质，并将凝胶电解质涂覆至步骤7得到的复合结构的正面待其扩散分布均匀后晾干；将尺寸完全相同的PE膜覆在上步得到的复合结构的一面并采用覆膜机使其贴紧薄膜表面，另一面覆上尺寸完全相同的铝箔同样采用覆膜机使其贴紧薄膜表面，最后采用过塑机封装，得到电致变发射率功能单元；
步骤9、在步骤3得到的基底材料未覆盖热致变发射率层的区域涂覆导热胶，将电致变色发射率功能单元的铝箔贴附在底层衬底上，即可得到所述智能热控薄膜器件。
实施例2
本实施例与实施例1相比，区别在于：
步骤1中，采用氧化钇稳定氧化锆作为底层衬底。
步骤2中，配制热致变发射率涂层浆料：取0.3g V2O5粉末加入到30mL浓度为30wt％的H2O2中，置于冰浴锅中充分搅拌，直至溶液变为澄清透明的黄色，取出置于室温下，继续在磁力搅拌机上搅拌，直至溶液转变为深红色，覆盖保鲜膜室温下保存两天；在10g得到的热致变发射率材料中加入2g氨基树脂和8g热塑性丙烯酸树脂作为基料，混合均匀，得到热致变发射率涂层浆料；
步骤3中，在底层衬底上依次放置图形化的掩膜版和丝网印刷网版，将步骤2制得的浆料滴至丝网印刷网版上，用带有支架的刮刀以45度的角度和50mm s-1的恒定速度刮过丝网印刷网版，在剪切力的作用下将浆料印刷到底层衬底上，完成后，在室温下静置流平6h，即可得到厚度为500nm热致变发射率层。
步骤6中，在300mL去离子水中加入16mL浓硫酸、2mL苯胺单体，超声得到均匀的溶液，作为制备电致变发射率薄膜的前驱液。
步骤7中，采用计时电流法制备电致变发射率薄膜，以两面带导电薄膜的基底作为工作电极、钛板为对电极、Ag/AgCl为参比电极，第一次脉冲电沉积的实验参数设置为：初始电位0V，高电位0.85V，低电位0V，阶跃次数为1，脉冲宽度100s，静置时间2s。第二次脉冲电沉积的参数设置为：初始电位0V，高电位0.65V，低电位0V，阶跃次数为1，脉冲宽度200s，静置时间2s。反应完成后，将制得的PANI薄膜清洗，烘干。

Claims (10)

1.一种智能热控薄膜器件，其特征在于，包括底层衬底，形成于底层衬底之上的热致变发射率层，形成于底层衬底之上、未覆盖热致变发射率层区域的电致变发射率功能单元，所述电致变发射率功能单元包括依次设置的铝箔、离子存储层、对电极、吸附电解质的有机滤膜、工作电极、电致变发射率薄膜、封装层，所述铝箔与底层衬底紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的智能热控薄膜器件，其特征在于，所述底层衬底为铝片或氧化钇稳定氧化锆。
3.根据权利要求1所述的智能热控薄膜器件，其特征在于，所述热致变发射率层包括热致变发射率材料和基料，热致变发射率材料的质量百分比为40wt％～70wt％，基料的质量百分比为30wt％～60wt％。
4.根据权利要求3所述的智能热控薄膜器件，其特征在于，所述热致变发射率材料为钙钛矿锰氧化物或二氧化钒；所述基料包括氨基树脂和热塑性丙烯酸树脂，氨基树脂和热塑性丙烯酸树脂的质量比为1：(3～5)。
5.根据权利要求1所述的智能热控薄膜器件，其特征在于，所述离子存储层为聚苯胺、钛酸锂、聚吡咯或聚噻吩衍生物。
6.根据权利要求1所述的智能热控薄膜器件，其特征在于，所述工作电极和对电极为多孔金膜、银膜或铜膜。
7.根据权利要求1所述的智能热控薄膜器件，其特征在于，所述有机滤膜基底为尼龙滤膜、聚醚砜滤膜或醋酸纤维素滤膜。
8.根据权利要求1所述的智能热控薄膜器件，其特征在于，所述电解质包括：0wt％～5wt％LiClO4、0wt％～5wt％LiPF6、0wt％～5wt％LiTFSI、15wt％～30wt％PC、3wt％～6wt％PMMA、70wt％～80wt％乙腈。
9.根据权利要求1所述的智能热控薄膜器件，其特征在于，所述电致变发射率薄膜为聚苯胺、钛酸锂或石墨烯。
10.一种智能热控薄膜器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、清洗底层衬底；
步骤2、将热致变发射率材料和基料混合，得到热致变发射率涂层浆料；其中，热致变发射率材料的质量百分比为40wt％～70wt％，基料的质量百分比为30wt％～60wt％；
步骤3、在底层衬底上制备厚度为200～2000nm的图形化热致变发射率层；
步骤4、裁剪有机滤膜基底，清洗，烘干；
步骤5、采用电子束蒸发法在步骤4清洗后的有机滤膜基底的正面和反面分别沉积厚度为100～200nm的工作电极和对电极；
步骤6、在步骤5得到的工作电极上制备电致变发射率薄膜，对电极上制备离子存储层；
步骤7、在步骤3得到的复合结构未覆盖热致变发射率层的区域，按照“铝箔、离子存储层、对电极、吸附电解质的有机滤膜基底、工作电极、电致变发射率薄膜、封装层”的顺序层叠，铝箔通过导电胶与底层衬底贴合，即可得到所述智能热控薄膜器件。
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