溶胶凝胶法制备SiO2基多功能增透薄膜及其性能研究

摘要

在能源危机和环境污染日益严重的现代社会，开发和利用太阳能显得尤为重要。SiO2增透薄膜可以有效地增加采光设备对太阳光的收集和利用，已被广泛应用到太阳能相关领域中。利用溶胶凝胶法在碱性条件下制备的 SiO2增透薄膜，其多孔结构可以显著地提高基底的光学透过率，却会导致薄膜极弱的耐摩擦性能。同时，薄膜在应用过程中不可避免的会被大气环境中的污染物所沾染，严重影响其长期高透过性能。本文针对以上两个方面的问题，开展了以下四个方面的工作：
　　1.通过Mg2+离子掺杂的方式，调节了薄膜的多孔结构，有效地降低了薄膜表面的散射和反射，进而提高了薄膜在可见光范围内的透过率。通过调节 Mg2+在SiO2薄膜中的掺杂量，可以有效改变薄膜的表面形貌。随着Mg2+离子掺杂量的逐步增加，薄膜表面孔径呈现逐步减小和均匀化的趋势，这有效地降低了薄膜表面的散射和反射。当 Mg2+的掺杂浓度为0.04％时，薄膜表面呈现相对均匀的多孔(约30nm)，从而有效地降低了薄膜在可见光范围内对光的散射，此时薄膜的最高透过率可达98.5%。
　　2.通过 Al3+离子掺杂的方式，构建了薄膜的三维网状结构，增加了颗粒之间的结合力，有效地增强了薄膜整体的耐摩擦性能。Al3+离子的加入显著增强了薄膜内部颗粒之间的结合力，并逐步改变了薄膜的表面形貌，使颗粒之间有效地形成了三维网络交联结构。通过酒精棉球擦拭法和纳米划痕法表征了薄膜的耐摩擦性能。当Al3+掺杂量为2%时，薄膜的最高透过率为98.5%，而此时薄膜的临界结合力却由未掺杂薄膜的198μN增加到370μN。
　　3.通过将具有光催化性能的TiO2纳米颗粒引入到SiO2薄膜中，可以有效降解粘滞在薄膜表面的各种污染物，使薄膜具有一定的光致自清洁性能。通过调节纳米TiO2颗粒在SiO2溶胶内的含量，得到了同时具有良好光学透过性和光致自清洁性的TiO2-SiO2复合薄膜。薄膜的透过率随着TiO2含量由0%增加到10%时略有下降，但其光致降解性能却有显著提高。通过对气相苯和实际应用污染物(指纹)的降解表征了薄膜的光致自清洁性能。
　　4.利用碳纳米管(CNT)作为模板剂，使前期制备的 TiO2-SiO2复合薄膜形成三维交联的网状结构，有效地增强了薄膜整体的机械强度。通过酸化处理使CNT能长期均匀分散在制备的TiO2-SiO2复合溶胶中，并通过旋转镀膜法制备了在可见光范围内具有高透过率的增透膜。CNT模板剂的加入，使TiO2和SiO2颗粒吸附在碳管的表面，在煅烧除去CNT模板剂后，颗粒在一定程度上保留了原碳管的三维网络交联结构，从而显著增强了薄膜的机械强度。当CNT的含量从0mg/ml增加到1mg/ml时，薄膜的弹性模量和硬度从9.2GPa和0.25GPa增加到21.4GPa和0.64GPa。

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1 绪论

1.1增透膜简介

1.2 增透膜的原理

1.3 增透薄膜的制备方法

1.4 SiO2增透膜

1.5 多功能SiO2增透膜

1.6 本文的选题思路及主要工作

2 实验材料、装置与方法

2.1 试剂与仪器

2.2 溶胶制备方法

2.3 性能表征

3 Mg2+掺杂制备可见光范围内高透过率多孔SiO2增透膜

3.1引言

3.2 SiO2溶胶及薄膜的制备

3.3 Mg2+离子掺杂对薄膜光学透过性的影响

3.4 孔结构对光在薄膜表面和内部传播的影响

3.5 本章小结

4 强耐摩擦三维网络结构SiO2增透膜的制备

4.1 引言

4.2 Al3+掺杂SiO2溶胶及薄膜的制备

4.3 三维网络结构对薄膜光学性能和耐摩擦性能的影响

4.4 三维网络结构增强SiO2薄膜耐摩擦性能的机理分析

4.5 本章小结

5 TiO2-SiO2多功能增透薄膜的制备

5.1 引言

5.2 TiO2-SiO2溶胶及薄膜的制备

5.3 TiO2-SiO2增透薄膜光致自清洁和耐摩擦性能分析

5.4 TiO2-SiO2增透薄膜光致自洁性能和耐摩擦性能的机理分析

5.5本章小结

6 模板法增强TiO2-SiO2多功能增透薄膜机械性能的研究

6.1 引言

6.2 CNT-TiO2-SiO2溶胶及薄膜的制备

6.3 CNT模板对TiO2-SiO2薄膜光学和机械性能的影响

6.4 CNT模板法制备高机械强度TiO2-SiO2增透薄膜的机理分析

6.5本章小结

7 全文总结

7.1 主要成果

7.2 本文的创新之处

7.3 工作展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士期间发表的论文