[实用新型]一种实现可调谐超宽带的二氧化钒超材料结构

说明书

本实用新型提出了一种基于二氧化钒的超材料结构，属于可调谐辐射致冷领域。该结构由多层基底上的图形化二氧化钒超材料和其上的随机粒子层组成。本实用新型图形简单性能高效，可以利用二氧化钒温度的温度相应特性以及外场调控等方式，有效地调节辐射致冷性能。并且在二氧化钒为金属相时，该结构有着很强的发射率和高制冷功率，可以有效应用于涂层散热和智能窗等领域，满足节能环保的需求。

技术领域

本发明属于超材料及辐射致冷技术领域，具体涉及一种实现可调谐超宽带的二氧化钒超材料及其辐射致冷应用。

背景技术

制冷能耗在社会总能耗的比例逐渐增大，对地球能源的消耗也日益增多。而辐射致冷是利用热辐射原理将物体吸收的热量以电磁波的形式通过大气窗口(8-13 μm)辐射到低温外太空中，同时尽可能多的增加对太阳光谱波段(0.2-4 μm)的反射，以此达到物体本身降温的目的。这种技术以一种绿色致冷的方式缓解了能源的消耗还避免了有害气体的污染，因此，在涂层散热和智能窗等方面体现出了巨大的优势。

过渡金属钒(V)元素存在很多形式的氧化物。其中二氧化钒具有可逆热致相变特性引起了广泛研究。处于绝缘相的二氧化钒晶体结构为单斜结构(M)，随着温度的升高，会在341 K发生相变，转变为金属相呈四方金红石结构(R)。由于相变温度与室温相差不大，因此二氧化钒在功能型光学超材料和辐射致冷领域具有重要的应用前景。2017年，Wu等人首次将二氧化钒涂覆在二氧化硅微型锥阵列表面，通过调节二氧化钒的相态实现了可切换的热辐射效应。在辐射致冷引入相变材料对发射率进行调控的研究中，在实现高制冷功率的同时获得超宽带吸收还很少见。

专利公开号为CN111525277A的发明专利公开了一种二氧化钒超材料加载于介质层的宽带可调吸波器，由金属层、介质层以及由两种不同半径的四个二氧化钒圆环组成的阵列结构，该环状结构二氧化钒结构存在加工困难，不利于生产的问题，专利公开号为CN209056607U的实用新型专利公开了一种基于二氧化钒相变调控的电磁超材料吸波器，由两种介质以及两种二氧化钒谐振单元依次层叠9层组成，多层堆叠谐振环结构，在实验制备方面同样存在加工困难，不利于生产的问题，并且，该上述两种结构没有涉及到辐射致冷方面的研究。

专利公开号为CN 110030744 A的发明专利公开了一种光谱自适应的白天太阳能集热夜间辐射制冷涂层材料，该材料的吸收波带较窄，且吸收效果不强，并且，作为辐射致冷器件，致冷功率是衡量器件致冷性能的关键因素，而结构的平均发射率对其有很大的影响，该结构的材料制冷功率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现可调谐超宽带的二氧化钒超材料，同时提供辐射致冷应用是本发明的又一发明目的。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

包括基底层和负载在基底层上的图形化二氧化钒层，所述图形化二氧化钒层上还负载有随机粒子层，所述随机粒子层由分布在聚乙烯中的TiO₂纳米粒子组成，所述图形化二氧化钒层的图形是由结构单元无间隙阵列排布形成的连续体阵列，所述结构单元为正方形，在正方形的四个角对应设有L型二氧化钒，在正方形的中心对应设有圆柱体二氧化钒，L型二氧化钒的两个直角边长度相等，相邻的L型二氧化钒之间有一定距离；所述超材料结构在二氧化钒呈金属相时，电磁波的能量局域在相邻两个L型条带的中间，形成局域共振。

进一步，结构单元沿x，y轴的周期Px=Py=1.9-2.1 μm。

作为优选，结构单元沿x，y轴的周期Px=Py=2.0μm。

进一步，二氧化钒层厚度t₂=0.1-0.3μm，L型二氧化钒的长度为l=0.5-0.8 μm，宽度为w=0.1-0.4μm,圆柱体二氧化钒的半径r=0.2-0.5 μm。

作为优选，二氧化钒层厚度t₂=0.2 μm，L型二氧化钒的长度为l=0.8 μm，宽度为w=0.3 μm，圆柱体二氧化钒的半径r=0.3 μm。