[发明专利]基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗及其制备方法

说明书

本发明属于智能窗技术领域，具体为一种基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗及其制备方法。本发明智能窗结构包括：表面平整的石英玻璃衬底，形成于衬底上的由二氧化钒薄膜卷曲而成的管状结构阵列；每个管状结构可独立工作；二氧化钒薄膜在相变前后具有太阳光调控能力。该智能窗的智能控光方式是：室温下卷曲的二氧化钒薄膜使卷曲的区域完全由石英透光，提高透光率；高温下，使卷曲二氧化钒结构因相变产生的应变变化导致曲率变小，直到完全展平在石英表面，重新与衬底贴合形成平面二氧化钒薄膜。本发明在提高室温下透光率的同时，保持高温下对红外限制能力基本不变，从而提高智能窗的太阳光调制能力。制备方法简单，成本较低，可大规模生产。

技术领域

本发明属于智能窗技术领域，具体涉及基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗及其制备方法。

背景技术

随着全球变暖趋势和资源匮乏的日益严峻，可持续、绿色发展，减少能耗、高效合理利用资源成为各个国家关注的焦点。根据数据显示，目前中国总能耗的近30%来自建筑自身的能耗损失，而在建筑的总能耗中，玻璃门窗的热耗散量占其中的50%。为了减少能量的浪费，研究者将注意力集中在建筑的窗户上，现代的摩天楼，窗户几乎包裹建筑物的全部表面，并且承担着每天外部环境的能量交换（包括热对流、热辐射）。所以研究出一种智能窗，能够根据外部环境的光照、温度等条件自动地调节辐射的能量吸收和阻挡是目前具有应用前景的研究热点。

目前的智能窗主要局限于二维尺度，根据不同的智能控光机理可以分为四类：(1)电致色变智能窗，如三氧化钨，氧化钛等氧化物以及一些导电聚合物，工作原理为通电导致薄膜变色改变太阳光的透过率变化，太阳光调控波段通常为300-1000nm。(2)光致色变智能窗，这类智能窗通常为聚合物材料，当光照射在这些聚合上时，聚合物之间的化学键会产生变化，形成新的结构，从而改变本身颜色。太阳光的调制波段也局限于300-1000nm，但颜色变化丰富。(3)热致色变智能窗，以二氧化钒为主的通过对温度响应从而改变太阳光的透过率。当前研究的基于二氧化钒的智能窗主要有几种增强透过率的方法，a)掺杂，通过掺杂不同金属离子降低触发温度及提高可见光透过率；b)复合结构，与氧化钛，氧化钨等组成多层结构，复合不同的光学特性以得到更多的用途；c)多孔结构或二氧化钒颗粒涂层，这些结构都有效的提高的太阳光的调制能力。(4)机械致色变，顾名思义，在外部刺激下，某些特殊的聚合物材料会产生褶皱，从而影响光透过率，通常对光的控制只有全透过与不透过两种状态。这些结构局限于二维平面，太阳光的调制率已达到了瓶颈。

发明内容

本发明目的在于提供一种太阳光调制能力强、突破二维尺度智能窗的控光瓶颈的基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗及其制备方法。

本发明提供的基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗，具体包括：

衬底，为一种表面平整的石英玻璃；

形成于所述衬底上的由二氧化钒薄膜卷曲而成的管状结构阵列；每个管状结构可独立工作；

其中，所述二氧化钒薄膜，利用磁控溅射法制备，厚度在80-120nm，相变前后具有太阳光调控能力。

本发明提供还提供上述基于二氧化钒薄膜卷曲结构的三维可动智能窗的制备方法，具体步骤为：

(1)利用丙酮、乙醇、清水，分别超声清洗石英衬底；

(2)利用磁控溅射在石英衬底表面生长具有内应力的二氧化钒薄膜；

(3)在二氧化钒薄膜表面光刻图形阵列；得到具有腐蚀窗口图形的二氧化钒基片；

(4)利用氢氟酸选择性腐蚀石英衬底，得到二氧化钒薄膜卷曲而成的管状结构阵列。

步骤(1)中，石英衬底为双面抛光，表面粗糙度低于2nm。

步骤(3)中，通过调节磁控溅射中的参数，以获得具有内应力的二氧化钒单组分薄膜。