CN113532177A - 一种基于相变材料的自适应调节膜及节能窗 - Google Patents

一种基于相变材料的自适应调节膜及节能窗 Download PDF

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詹耀辉
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章新源
徐修冬
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Abstract

本申请提供一种基于相变材料的自适应调节膜及节能窗。该自适应调节膜包括：基材层，所述基材层底部设置中红外反射层，所述基材层顶部设置相变层、相变层外侧设置有增透膜；所述基材层选用透明材料，所述的相变层选用热致相变材料，所述相变层、基材层及中红外反射层共同形成F‑P谐振腔，用以透过0.3‑2.5μm的太阳波段光，反射8‑14μm波段的中红外光。搭载该自适应调节膜的节能窗能根据环境温度自由切换工作方式同时具有好的透光度。该自适应调节膜在建筑节能、航天器、红外伪装等领域具有应用前景。

Description

一种基于相变材料的自适应调节膜及节能窗
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种基于相变材料的自适应调节膜及节能窗。
背景技术
近年来，随着工业化不断发展，人们在享受工业进步带来便利的同时，也在承受着能源消耗和环境污染带来的生存压力。早在20世纪初，可持续能源的政策已经相继出台，它们一方面引导节能减排，另一方面大力提倡绿色能源开发。节能减排的措施之一利用辐射降温被提出，辐射降温利用的是温度只有3K的深空冷源，而太阳能使用的温度约6000K的太阳热源。但是，传统的无论是辐射降温还是太阳能升温都是单一的降温或升温过程，均无法达到在高温天气下降温、在低温天气下升温的双重功能，使用起来不灵活，这为其广泛使用带来了限制。
因而一种基于相变材料的节能窗被提出。
发明内容
为克服上述缺陷点，本申请的目的在于：
提出一种基于相变材料的自适应调节膜旨在同时利用太阳的热能和深空的冷能，可以在温度较高时实现降温，温度低时则升温。
为实现上述目的，本申请采用如下的技术方案：
一种基于相变材料的自适应调节膜，包括：基材层，其特征在于，
所述基材层底部设置中红外反射层，所述基材层顶部设置相变层、相变层外侧设置有增透膜；
所述基材层选用透明材料，
所述的相变层选用热致相变材料，
所述相变层、基材层及中红外反射层共同形成F-P谐振腔，用以透过0.3-2.5μm的太阳波段光，反射8-14μm波段的中红外光。该基于相变材料的自适应调节膜，能根据环境温度自由切换工作方式同时利用该透明的基材层，这样自适应调节膜具有好的透光度。
优选的，该相变层选用二氧化钒涂层，预先使用掺杂工艺使其相变温度降至预设的温度。
优选的，该基材层为BaF2、ZnSe、CaF2、MgF2、HfO2、ZnS、ZnSe中的一种或其组合。
优选的，该中红外反射层为金属反射膜层，其选用ITO或在SiO2上镀一层包含Ag，Au或Al的薄膜。
优选的，该所述中红外反射层选用金属银，其厚度介于5nm～20nm。
优选的，该增透膜的厚度介于80nm～120nm、相变层的厚度介于10nm～30nm。
优选的，该F-P谐振腔的厚度介于500nm～1200nm。
优选的，该增透膜包含MgF2材质，其厚度介于80nm～120nm。
优选的，该增透膜选用HfO2，其厚度介于80nm～120nm。
本申请实施例提出一种节能窗，其特征在于，配置有上述的基于相变材料的自适应调节膜，且基于相变材料的自适应调节膜贴附于节能窗上。
有益效果
与现有技术相比，本申请实施方式中的基于相变材料的自适应调节膜，能根据环境温度自由切换工作方式同时具有好的透光度。该自适应调节膜可用在建筑节能、航天器、红外伪装等领域。
附图说明
图1为本申请实施例的基于相变材料的自适应调节膜结构的示意图；
其中：1、基材层，2、中红外反射层，3、相变层，4、增透膜。
图2本申请实施例的自适应窗在100℃温度下的示意图。
图3为本申请实施例的自适应窗在0℃温度下的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本申请而不限于限制本申请的范围。实施例中采用的实施条件可以如具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
本申请提供一种基于相变材料的自适应调节膜，该自适应调节膜包括：基材层，基材层的一侧(也称底部)设置有中红外反射层，基材层的与中红外反射层相对侧(也称顶部)设置有相变层、相变层的外侧设置有增透膜。本实施方式中基材层选用透明材料，相变层选用热致相变材料，相变层、基材层及中红外反射层共同形成F-P谐振腔，该F-P谐振腔用以透过0.3-2.5μm的太阳波段光，反射8-14μm波段的中红外光。该自适应调节膜用于节能窗，这样能根据环境温度自由切换工作方式同时具有好的透光度。该自适应调节膜还可用在建筑节能、航天器、红外伪装等领域。
如图1所示为基于相变材料的自适应调节膜的结构示意图，
该自适应调节膜包括：
基材层1，基材层的底部设置中红外反射层2，基材层的顶部设置相变层3、相变层外侧设置有增透膜4；
该基材层选用透明材料，相变层选用热致相变材料，
相变层3、基材层1及中红外反射层2共同形成F-P谐振腔，用以透过0.3-2.5μm的太阳波段光，反射8-14μm波段的中红外光。该自适应调节膜能根据环境温度自由切换工作方式同时具有好的透光度。
辐射制冷原理：
为了定量地说明基于相变材料的自适应调节膜的基本原理，列出基于相变材料的自适应调节膜温度调控的净降温功率计算公式：
Pnet＝Prad(TSATM,ε)-Psun-Patm(Tamb,ε)-Pcc(TSATM,Tamb) (1)
Prad为物体热辐射功率，TSATM为自适应温度调控器温度，ε为物体的发射率光谱。Psun为吸收太阳能波段能量的功率，Patm为大气对物体的辐射功率，Tamb为环境温度。Pcc为热传导和对流而耗散的功率，由于物体暴露在环境中，环境对物体进行热传导以及热对流都会对器件的温度产生影响。要实现辐射制冷，在保证Patm和Pcc较小的情况下，最主要是提高Prad和降低太阳加热功率Psun，这主要通过选择合适的材料和结构来实现。实现辐射制冷需要以下两点：
(1)在太阳光波段(0.3μm-2.5μm)具有很高(接近1)的反射率，使得太阳加热最小，本装置需要可见光透过以实现良好的采光效果，因此将太阳高反射率波段限制在0.8μm-2.5μm。
(2)在大气透明窗口(8μm-13μm)具有很高的发射率。
相变层：
实现这种特性的关键部件即是相变层，利用相变材料的热致相变特性，在相变前后光学性质不同，相变材料吸收系数在0.3～2.5μm较低，在8～13μm相差较大(高温态吸收系数较高，低温态吸收系数很低)。通过其热致相变特性，在不需要能量输入的情况下根据环境温度变化而自主改变大气窗口波段的发射率，从而能够实现大气窗口波段发射率的动态调控。
当外界环境温度高于相变层的相变温度时，阳光透过增透膜照射到相变层上，此时相变层具有较高的红外吸收系数，因此具有高的红外发射率Prad，太阳波段能量的吸收也比较低，即Psun较低，满足辐射降温的条件，由式(1)可知降温功率Pnet可较高，反之，若外界温度较低相变层没有发生相变，其发射率较低，降温功率Pnet可以为负值，实现升温效果。
相变层具有红外的调控性能，但是大气窗口和物体向外辐射能量的主要波段为8-13μm，所以为了做到有波段选择性的调控能力，使用谐振腔来控制调控波段。另一方面，相变层在厚度达到10-30nm时，高温金属态的红外吸收能力明显不足(吸收约为30％)，而大部分的红外光会透过(40％)和反射(30％)。为了弥补这些问题，利用F-P谐振腔来增加大气窗口波段的吸收。当F-P谐振腔的厚度达到一定的厚度时，会在某个波段形成驻波，从而增加了相变层在8-13μm的吸收，而在大气窗口之外的波段吸收明显降低，达到辐射制冷的要求。
相变层优选VO2材质(二氧化钒)，VO2预先使用掺杂工艺使其相变温度由68℃下降到室温25℃(在其他的实施方式中，则不限定室温25℃，具体视应用场合)。该相变层VO2本身的相变温度为68℃，在制备前预设调控温度，此调控温度即为相变材料的相变温度。VO2的相变温度可以通过掺杂或者不同的制备工艺改变，其中掺杂不同价态的离子是最常用的手段。根据需求需要事先设置二氧相变温度，在VO2薄膜中掺杂高价态离子(如Nb5+、Ta5+、Mo6 +、W6+等)可降低其相变温度，掺入低价态离子(如Al3+、Cr3+、Fe3+等)可提高其相变温度，掺杂量和价态都会对其相变温度有一定的影响。VO2的相变温度目前市面上见到的有从17℃-100℃，且这方面的工艺已经成熟，均可能找到相应的制备方法，也基本可以应用在室温(25℃)的状态下。在此不详细描述。
F-P谐振腔，其一侧的相变层配置为二氧化钒，相对的另一侧的中红外反射层配置为金属反射层，基材层使用0.3-16μm透明材料，基材层选用BaF2、ZnSe、CaF2、MgF2、HfO2、ZnS、ZnSe等)。谐振腔所使用的材料应不属于相变材料，这样其在室温范围内光学性质不随温度变化而改变。
中红外反射层选用ITO。为F-P谐振腔的衬底材料，使腔内形成驻波。主要功能是透过0.3-2.5μm的太阳波段光，反射8-14μm波段的中红外光，一般使用材料为ITO玻璃，或者在SiO2上镀一层厚度在10nm左右的Ag，Au，Al薄膜等。增透膜的厚度介于80nm～120nm。相变层的厚度介于10nm～30nm。F-P谐振腔层的厚度介于500nm～1200nm。中红外反射层的厚度介于300nm～800nm。
本实施方式中，增透膜的厚度选取100nm。相变层的厚度选取18nm。F-P谐振腔层的厚度选取900nm。中红外反射层的厚度选取500nm。该结构下光线的吸收、反射信息通过测量可获取，
如图2所示为温度100℃的测量值实线为透过率，虚线为吸收率，根据基尔霍夫定律，吸收率即为发射率。可以看到此时可见光透过率较高，且中红外波段的发射率较高，可以达到较好的降温状态。
如图3所示为温度0℃的测量值实线为透过率，虚线为吸收率。实线为透过率，虚线为吸收率。可以看到此时可见光透过率仍保持较好的状态，但中红外波段的发射率明显降低，可以达到较好的升温状态。
在一实施方式中，作为上述方式的变形，区间仅在于，增透膜选用HfO2，其厚度介于80nm～120nm。如厚度选取100nm。
在一实施方式中，作为上述方式的变形，区间仅在于，中红外反射层使用金属银，其厚度介于850nm～20nm。如厚度选取10nm。
本申请实施例提出一种节能窗，去搭载上述的自适应调节膜。且基于相变材料的自适应调节膜贴附于窗体上。
上述实施例只为说明本申请的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本申请的内容并据以实施，并不能以此限制本申请的保护范围。凡如本申请精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于相变材料的自适应调节膜，包括：基材层，其特征在于，所述基材层底部设置中红外反射层，所述基材层顶部设置相变层、相变层外侧设置有增透膜；
所述基材层选用透明材料，
所述的相变层选用热致相变材料，
所述相变层、基材层及中红外反射层共同形成F-P谐振腔，用以透过0.3-2.5μm的太阳波段光，反射8-14μm波段的中红外光。
2.如权利要求1所述的基于相变材料的自适应调节膜，其特征在于，
所述相变层选用二氧化钒涂层，预先使用掺杂工艺使其相变温度降至预设的温度。
3.如权利要求1所述的基于相变材料的自适应调节膜，其特征在于，
所述基材层为BaF2、ZnSe、CaF2、MgF2、HfO2、ZnS、ZnSe中的一种或其组合。
4.如权利要求1所述的基于相变材料的自适应调节膜，其特征在于，
中红外反射层为金属反射膜层，其选用ITO或在SiO2上镀一层包含Ag，Au或Al的薄膜。
5.如权利要求1所述的基于相变材料的自适应调节膜，其特征在于，
所述中红外反射层选用金属银，其厚度介于5nm～20nm。
6.如权利要求1所述的基于相变材料的自适应调节膜，其特征在于，
增透膜的厚度介于80nm～120nm、相变层的厚度介于10nm～30nm。
7.如权利要求1所述的基于相变材料的自适应调节膜，其特征在于，
F-P谐振腔的厚度介于500nm～1200nm。
8.如权利要求1所述的基于相变材料的自适应调节膜，其特征在于，
所述增透膜包含MgF2材质，其厚度介于80nm～120nm。
9.如权利要求1所述的基于相变材料的自适应调节膜，其特征在于，
所述增透膜选用HfO2，其厚度介于80nm～120nm。
10.一种节能窗，其特征在于，配置有如权利要求1-9中任一项所述的基于相变材料的自适应调节膜，且基于相变材料的自适应调节膜贴附于节能窗上。
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