摘要
近年来，能源与环境问题广受人们关注，采取节能战略至关重要，其中建筑的能源消耗攀升至总能源消耗的40%，而窗户是建筑内部与外部环境之间能量传递的主要通道，因此控制窗户传热在建筑节能措施中具有重要意义。二氧化钒(VO2)是最有前途的智能窗材料，它可以依据环境温度的改变自动调控太阳光对房间的透射率，智能窗涂层的使用有望在保持适宜的温度的前提下减少建筑室内制冷和供暖需耗费的能源。 VO2是一种会发生金属-绝缘体相变(MIT) (其相变温度Tc约为68℃，接近室温)的具有热致变色性能的材料，在68℃以下，VO2为绝缘体态的单斜结构，对近红外光是透明的；当温度升到68℃以上时，VO2转变为金属态的金红石结构，对近红外光是不透明的。VO2主要调制的是近红外光而不是可见光，从而能有效控制太阳辐射的热量摄入，同时最大限度地减少照明所需的能量，并且不需要外部能量激活调制，当环境温度达到Tc时响应能够自发进行。因此，VO2作为智能窗材料具有极大的应用价值。然而由于VO2存在相变温度(Tc)高于室温25℃、透光率(Tlum)低于40%、太阳能调制(ΔTsol)低于10% 等三个方面的局限性，还没有广泛进行商业化应用。为了提高VO2的热致变色性能并降低其Tc ，本论文工作通过微波水热和后期退火两步合成法来制备M相VO2纳米颗粒(采用F、W元素掺杂改性)，再复合高分子材料PVP制备成VO2智能窗涂层，系统研究了F、W元素掺杂对VO2复合涂层的热致变色性能的影响。论文的主要研究内容及成果如下： 1、采用微波水热-退火两步合成法制备出M相VO2纳米粉体并复合PVP制备成VO2温控涂层，探究了不同微波水热温度和不同退火温度制备VO2粉体实验条件。实验结果表明，当微波水热温度和时间分别为240℃、2 h，退火温度和时间分别为600℃、1 h，能够成功制备出结晶度高的M相VO2纳米粉体，粉体粒径分布为60-150 nm；相应的VO2复合温控涂层热致变色性能较为优异：Tlum为61.1%，ΔTsol高达17.5%。 2、为提高VO2复合涂层的热致变色性能，分别采用F、W元素对VO2纳米粉体进行掺杂并制备出相应的VO2复合涂层。实验结果表明，F掺杂能一定程度降低VO2粉体相变温度Tc ，减小颗粒尺寸，同时提高了相应涂层的透光率Tlum；W掺杂能显著降低VO2粉体的相变温度Tc ，维持相应涂层的透光率Tlum在60%以上，但严重降低了相应涂层的ΔTsol。 3、为进一步提高VO2复合涂层的综合智能窗性能(即具有低相变温度同时保持高的热致变色性能)，实验制备了不同摩尔含量的F-W共掺杂VO2纳米粉体及其相应复合温控涂层。实验结果表明，相较于纯VO2以及F、W分别掺杂的VO2涂层，F-W共掺杂的协同作用能平衡智能窗涂层的三个性能指标Tc、Tlum及ΔTsol，综合性能表现更为优异。在系列F-W共掺杂VO2复合涂层中，10%F-1%W共掺杂VO2复合涂层智能窗综合性能最佳：Tlum=66.6%，ΔTsol=11.4%，Tc=38.2℃。这表明F-W共掺杂的策略有利于VO2涂层材料实际应用于智能窗领域。
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