VO2/LDPE复合薄膜制备及其动态红外辐射特性研究

作     者：韩相阁 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：豆书亮

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：复合薄膜 红外辐射特性 动态自适应 

摘      要：传统材料红外发射率固定，使用环境单一，无法满足当代智能化、多功能化的红外调控需求。VO2热致变色材料可根据外界环境温度的变化进行红外辐射调控，具有无源和动态自适应的特点，是实现红外辐射动态调控的理想材料。本论文通过将VO2粉体与低密度聚乙烯（LDPE）复合，开展柔性VO2/LDPE复合材料制备及红外调控性能研究。 首先分别采用熔融热压法（干法）和溶液法（湿法）制备在8-14μm的热红外波段高透过的LDPE薄膜。根据所得LDPE的表面微观形貌、表面粗糙度、雾度、红外性能等优化工艺参数。结合LDPE的熔融指数，选取薄膜厚度、热压时间、预热时间为变量，研究对干法制备LDPE薄膜的影响，确定热压温度为170℃、预热时间为50min、同时降低聚酰亚胺膜框厚度的工艺参数;采用湿法制备LDPE薄膜时，结合LDPE的溶解度及固化温度，选取溶液浓度、蒸发温度、加热时间为变量，研究对湿法制备LDPE薄膜的影响，确定溶液浓度为0.039g/mL、蒸发温度为140℃、加热时间为10h的工艺参数。 然后采用分步水热及退火热处理的方法制备了具有热致相变性能、较为纯净的M相VO2，在68.87℃发生金属-绝缘体转变（MIT）。基于此，采用直接研磨（干法）和溶液内混合去除溶剂（湿法）混合前处理并制备VO2/LDPE复合材料。采用干法前处理制备得到了VO2与LDPE不同质量比的复合薄膜，此方法操作简单、实验效率高、前处理周期短，所得复合薄膜在69.92℃发生MIT，当质量比为6:1时，其在8-14μm波段的发射率变化量最大，可达0.21，但得到的复合薄膜内纳米线分布不均匀且具有较大的表面粗糙度。湿法前处理可一定程度上改善粉体VO2在基体中的分散性问题，纳米线均匀分布在LDPE基体内且具有较好的表面平整度。所得复合薄膜在69.67℃发生金属-绝缘体转变，在同质量比的情况下相较干法所得样品具有更高的发射率变化量，当质量比为5:1时，发射率变化量最大，可达0.21。 所得复合薄膜均具有随温度自适应的红外辐射调控能力，但调控能力有限，在本论文的基础上，后续研究可集中于提高VO2和LDPE相容性以提高材料整体性能、通过结构设计和优化复合工艺实现对可见光、微波等多波段的兼容调控以及通过元素掺杂降低或提高复合材料的相变温度，以拓宽适用范围等方面。