[发明专利]一种双面主动红外发射率调节薄膜及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种基于碳材料的双面主动红外发射率调节薄膜及其制备方法和应用，特别涉及基于碳材料(包括石墨烯、碳纳米管、无定形碳和炭黑等)和离子液的薄膜材料，可通过电压调节方式实现双面红外辐射控制的柔性器件，具有工作电压低，功耗小，发射率调节幅度大，结构简单、适于大规模生产，具有良好的机械可弯曲性能，可广泛应用于汽车、舰船、飞机、卫星等表面实现红外伪装或隐身，也可应用于电池、微纳卫星等表面实现温度控制。

技术领域

本发明涉及一种基于碳材料的双面主动红外发射率调节薄膜及其制备方法和应用，特别涉及基于碳材料(包括石墨烯、碳纳米管、无定形碳和炭黑等)和离子液的薄膜材料，可通过电压调节方式实现双面红外辐射控制的柔性器件，具有工作电压低，功耗小，发射率调节幅度大，结构简单、适于大规模生产，具有良好的机械可弯曲性能，可广泛应用于汽车、舰船、飞机、卫星等表面实现红外伪装或隐身，也可应用于电池、微纳卫星等表面实现温度控制。

背景技术

控制材料体系的中红外波段的辐射可实现辐射冷却和热伪装。利用机械驱动、热致相变、光照以及电激励等方式都可实现发射率的调制，其中，电激励方式由于其容易实现与半导体工艺相兼容而受到了广泛关注。

通常，材料体系的热辐射取决于材料的温度和表面发射率。斯忒藩--玻尔兹曼定律定量地描述了物体热辐射量受其温度与材料表面性质的关系

j^＊＝εσT⁴

其中，j^＊为单位时间单位面积辐射量，ε为材料表面辐射系数(发射率)，σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数，T为物体绝对温度。据此，通过控制材料体系红外发射率，使得整个体系的辐射量与周围环境一致，可使红外相机难以将物体从背景中区分开，实现红外隐身效果。同时，通过控制物体的热辐射亦可实现热管理。例如，Shanhui Fan等制备出具有体感温度调节能力的薄膜材料，采用不同发射率材料正反穿成功实现纺织衣物的保温或降温，使人体处于舒适温度。不仅如此，将主动调制红外发射率的体系应用于建筑制造有望实现建筑节能。

具有众多同素异形体的碳材料展现出独特的物化性质，例如，碳纳米管与石墨烯由于其高机械强度，可弯曲的柔性结构以及卓越的物理性质在科学以及工程界引起了广泛关注，在场发射器件、电化学器件包括超级电容器、电池，以及传感器等方面都具有潜在应用。其中，石墨烯由于在中红外至太赫兹频率范围内具有良好的等离子体共振特性，在中红外光电探测应用中倍受关注。单层石墨烯甚至可以通过离子掺杂在0.1至2.5THz范围内将其透射率调节至83％。但在中红外范围内，通过静电栅压调节具有很小的响应性能，单层石墨烯的吸收特性改变小于2％。Coskun Kocabas等人利用多层石墨烯和离子液体系实现了中波红外热辐射特性的调制，通过离子插层的方式实现了较大的调制深度，但是，其并未构建出具有双面调节特性的体系。Robert Haddon等人利用半导体型单壁碳纳米管和离子液构建复合材料体系，通过离子掺杂调节单壁碳纳米管的费米能级，从而调制单壁碳纳米管薄膜的带间吸收和带内自由载流子吸收，最终实现对可见到近红外光谱的调制。

有效控制中红外辐射的结构在智能伪装与温控领域等应用中展现出巨大潜力，研发低功耗、高调制速度、低成本的可控辐射器件成为发展趋势。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于碳材料的双面主动红外发射率调节薄膜及其制备方法和应用。

本发明的技术解决方案是：

一种基于碳材料的双面主动红外发射率调节薄膜，该调节薄膜包括上层、中层和下层，上层为石墨烯薄膜、碳纳米管、无定形碳等碳材料薄膜，下层为石墨烯薄膜、碳纳米管、无定形碳等碳材料薄膜，中层为填充有离子液的离子隔膜，上层和下层既作为发射率调制层又作为电极；