热致相变二氧化钒材料的制备及性能研究

摘要

二氧化钒（VO2）是一种具有相变特性的过渡金属氧化物，能在68℃的相变温度点发生高温金属相和低温半导体相的可逆转变，同时伴随着电阻率、磁化率和光透过率的突变。基于其相变特性，可将二氧化钒用作一种优良的热致变色材料。目前随着各国对建筑节能的日益重视，二氧化钒材料在智能控温薄膜领域的应用已成为了研究的热点。本文以五氧化二钒（V2O5）为原料，盐酸联氨（N2H4·2HCl）为还原剂，采用液相沉淀法制得稳定的前驱体(VO(OH)2)，再通过氮气气氛下热分解前驱体制备出纯的M型二氧化钒粉体（M-VO2）。然后以钨酸钠（Na2WO4·2H2O）、钼酸铵（（NH4)6Mo7O24·4H2O）为掺杂剂，采用纯M-VO2相粉体的制备工艺，制备不同钨钼掺杂量的M-VO2粉体。最后选择在 VOCl2溶液中，添加一种水溶性高分子化合物-聚乙烯吡咯烷酮（PVP），采用有机溶胶-凝胶法制备出具有良好相变光开关性能的热致变色VO2薄膜。通过对产物FT-IR、TG、DSC、XRD、SEM、EDX、UV-VIS等测试分析，研究了 VO2粉体热解工艺对产物的晶型结构、形貌影响，探讨了掺杂对相变温度的影响规律，同时对VO2薄膜的光学性能进行了研究。
　　本研究主要内容包括：⑴当升温速率一定时，不同的热解温度和保温时间对粉体的成分和晶体结构有重要影响。在600℃温度热解60min时，可以得到纯的M-VO2相粉体；单个颗粒呈方块状，长约150nm，宽约100nm，相变温度为67.8℃。⑵采用纯M-VO2相粉体的最佳制备工艺，制备的钨钼掺杂粉体具有良好的晶体结构，仍为M-VO2粉体。但W、Mo原子掺杂在一定程度上破坏了M-VO2主晶格的完整性，晶格发生了畸变，晶胞变大，使得X射线衍射峰和V=O伸缩振动峰发生了微小的偏移。同时，掺杂对 VO2粉体的表面形貌和颗粒尺寸都有一定的影响。随着掺杂量的增加，晶体形貌变的不规则，无明显的颗粒形状。⑶W、Mo掺杂都能有效的降低VO2的相变温度且W的掺杂效率要高于Mo的掺杂效率。VO2的相变温度变化与W、Mo原子掺杂百分含量成负线性相关。每掺杂1at％W的钨酸钠（Na2WO4·2H2O），VO2相变温度降低22.0℃；掺杂1at％Mo的钼酸铵（（NH4)6Mo7O24·4H2O），VO2相变温度降低5.1℃。⑷选择PVP作溶液分散稳定剂和成膜促进剂，以石英玻璃为基底，采用旋涂成膜的有机溶胶-凝胶法制备VO2薄膜工艺可行，成本低、操作简单、制备条件温和，具有可重复性。PVP的掺入没有影响M-VO2粉体的生成和晶体结构的破坏。在温度600℃、保温60min下热处理，能得到M-VO2薄膜，且具有良好的相变性能，相变前后红外波段光透过率发生明显变化。其中，掺入10％质量分数PVP溶胶、旋涂20层制备的VO2薄膜由平均尺寸约200nm的颗粒组成，颗粒为方块状、大小分布较均匀；薄膜平均厚度为0.64±0.01μm，厚度分布较均匀，平整性较好。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 文献综述

1.1 引言

1.2 二氧化钒的结构与性能

1.3 二氧化钒的应用前景

1.4 二氧化钒的研究现状

1.5 本文选题背景和研究内容

第2章 二氧化钒粉体的制备与表征

2.1 引言

2.2 实验工艺及表征方法

2.3 实验结果与讨论

2.4 本章小结

第3章 掺杂二氧化钒粉体的制备与表征

3.1 引言

3.2 实验工艺与表征方法

3.3 掺杂实验参数设计

3.4 实验结果与讨论

3.5 本章小结

第4章 二氧化钒薄膜的制备与表征

4.1 引言

4.2 实验工艺与表征方法

4.3 实验结果与讨论

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士期间取得成果

致谢