微結(jié)構(gòu)表面功能材料的制備及其熱輻射光譜特性研究.pdf

1、近年來(lái)，利用微結(jié)構(gòu)來(lái)控制材料表面熱輻射光譜特性的研究取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，已有研究表明，當(dāng)物質(zhì)的特征尺寸接近于熱輻射波長(zhǎng)時(shí)，熱輻射問(wèn)題將與宏觀熱輻射問(wèn)題截然不同，微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出良好的熱輻射光譜選擇控制特性。利用微結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)熱輻射光譜特性控制的基本方法是:針對(duì)具體目標(biāo)控制波段的光譜特性要求，選取合適的材料，設(shè)計(jì)得到具有一定形態(tài)特征的微結(jié)構(gòu)，從而更好地實(shí)現(xiàn)熱輻射能量傳遞及熱輻射光譜控制。因此，微結(jié)構(gòu)光譜控制在航天器熱控制技術(shù)、太陽(yáng)能技術(shù)、制造技術(shù)以及

2、材料工業(yè)等領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用前景?；跓嶂伦兩淼拟}鈦礦錳氧化物由于其獨(dú)特的表面熱輻射性能而可用于航天器的智能熱控制，但由于受到自身屬性的限制，材料的熱致變色效果不盡如人意，這嚴(yán)重影響了它在航天器智能熱控涂層方面的應(yīng)用。目前，利用太陽(yáng)能發(fā)電主要使用的是以晶體硅為基底的太陽(yáng)能光伏電池，但存在著成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題，因此，如何提高太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率以降低成本就顯得至關(guān)重要?；诖耍疚囊晕⒔Y(jié)構(gòu)表面熱輻射光譜特性為主要研究對(duì)象，

3、通過(guò)在鈣鈦礦錳和單晶硅表面構(gòu)造微結(jié)構(gòu)來(lái)研究微結(jié)構(gòu)對(duì)功能材料熱輻射光譜特性的調(diào)控作用，希望能對(duì)工程應(yīng)用產(chǎn)生一定的指導(dǎo)作用。本文具體研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)方面:
　　1、一維、二維周期性熱致變色材料的制備
　　采用固相反應(yīng)法制備出了多種不同組分大塊體的鈣鈦礦錳熱致變色材料，并研究了摻雜比例、燒結(jié)溫度等制備工藝對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。利用光刻蝕技術(shù)在鈣鈦礦錳材料表面構(gòu)造出了一維光柵結(jié)構(gòu)和二維孔穴陣列結(jié)構(gòu)，并研究了刻蝕工藝對(duì)微結(jié)構(gòu)性能

4、的影響。構(gòu)造得到光柵結(jié)構(gòu)的周期約為10μm，光柵槽寬為6.0μm，槽深為2.0μm;孔穴陣列結(jié)構(gòu)的周期約為10μm，孔穴直徑為6.0μm，孔深為2.0μm。
　　2、一維、二維周期性熱致變色材料的熱輻射光譜特性研究
　　對(duì)實(shí)驗(yàn)制備出的構(gòu)造有不同微結(jié)構(gòu)表面的鈣鈦礦錳樣品進(jìn)行了光學(xué)測(cè)試，進(jìn)而通過(guò)計(jì)算得到了材料的表面熱輻射特性，研究了一維光柵結(jié)構(gòu)和二維孔穴陣列結(jié)構(gòu)表面對(duì)鈣鈦礦錳材料熱致變色性能的影響，并分析了產(chǎn)生這些影響的原因。測(cè)

5、試結(jié)果表明，構(gòu)造有一維光柵和二維孔穴陣列結(jié)構(gòu)的熱致變色表面熱輻射性能均得到增強(qiáng)，對(duì)于具有光柵結(jié)構(gòu)表面的La0.825Sr0.175MnO3材料，其熱致變色性能得到顯著改善。
　　3、三維有序大孔(3DOM)熱致變色材料的制備
　　三維有序大孔(3DOM)材料是一種典型的三維光子晶體材料。采用膠晶模板法制備出了三維有序大孔的鈣鈦礦錳材料，通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件，制備出了多種不同孔徑、不同組分的熱致變色功能材料，并研究了不同制備工藝對(duì)

6、材料結(jié)構(gòu)和性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，制備得到的熱致變色功能材料有序性較好，3DOM結(jié)構(gòu)完整，且已形成單相鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。
　　4、三維有序大孔(3DOM)熱致變色材料的熱輻射光譜特性研究
　　研究了三維有序PS膠體晶體的光學(xué)性能，由于3DOM結(jié)構(gòu)完全是PS膠晶模板的逆復(fù)制，三維有序PS膠體晶體的質(zhì)量會(huì)直接影響到3DOM材料的結(jié)構(gòu)，因此，研究三維有序PS膠體晶體的光學(xué)性能也具有非常重要的意義。對(duì)實(shí)驗(yàn)制備出的具有不同孔徑、不同組分三

7、維有序大孔的鈣鈦礦錳樣品進(jìn)行了光學(xué)測(cè)試，得到了其表面熱輻射特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，得到的PS膠體晶體三維有序性較好，具有明顯的光子禁帶效應(yīng)，而3DOM結(jié)構(gòu)材料的光子禁帶效應(yīng)不太明顯。同時(shí)，3DOM材料均具有較高的發(fā)射率，但材料的熱致變色性能不太顯著。
　　5、單晶硅(Si)微結(jié)構(gòu)表面的制備及其熱輻射光譜特性研究
　　以單層緊密排列的PS膠體晶體為掩模板，分別采用等離子體刻蝕(PE)、電感耦合等離子體刻蝕(ICP)和反應(yīng)離子刻蝕(

8、RIE)技術(shù)在單晶硅(Si)表面構(gòu)造出了一定的納米微結(jié)構(gòu)，并研究了不同刻蝕工藝對(duì)微結(jié)構(gòu)性能的影響。對(duì)構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行了光學(xué)測(cè)試，研究了微結(jié)構(gòu)對(duì)光譜特性的調(diào)控作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用等離子體刻蝕方法能在單晶硅表面構(gòu)造出較完整的周期性微結(jié)構(gòu)，而電感耦合等離子體刻蝕和反應(yīng)離子刻蝕得不到明顯的周期性結(jié)構(gòu)。光學(xué)測(cè)試結(jié)果表明，構(gòu)造的微結(jié)構(gòu)表面均能有效降低晶體硅材料的光譜反射率，同時(shí)，具有一定周期性的納米柱微結(jié)構(gòu)表面的光譜反射率要明顯低于隨機(jī)結(jié)構(gòu)