一种动态快速调控红外光透过率的柔性器件及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种动态快速调控红外光透过率的柔性器件及其制备方法和应用，属于柔性器件制备技术领域。本发明专利技术的柔性器件从下至上依次包括柔性衬底层、相变材料层、石墨烯发热层，其中：所述相变材料为二氧化钒@聚氨酯复合薄膜，所述相变材料层和石墨烯发热层之间还设置有两端电极，两端电极用于施加偏压加热石墨烯；所述石墨烯为叠层石墨烯，所述柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜。本发明专利技术创造性地利用石墨烯作为发热层，通过石墨烯发热层间接地调控二氧化钒的MIT行为，实现对红外光透过率的动态调控，本发明专利技术制得的柔性器件响应速度快，器件响应时间TOFF和TON最短分别为5S和2S，可应用于制备智能窗产品。

【技术实现步骤摘要】
一种动态快速调控红外光透过率的柔性器件及其制备方法和应用
本专利技术属于柔性器件制备
，具体涉及一种动态快速调控红外光透过率的柔性器件及其制备方法和应用。
技术介绍
全球气候变暖是全人类共同面对的问题。人们不断探索新的有效方法来减少气候变化对人类带来的危害。能源技术的更新换代越来越快，与经济的发展也紧密相连。目前，人们探索到的有效的解决方法之一是节能工程。二氧化钒(VO2)是一种优异的相变材料，其相变温度为68℃，相变前后结构的变化导致对红外光由透射向反射的可逆转变，人们根据这一特性将其应用于制备智能控温薄膜领域。由于其优异的电学特性，该材料也可以应用于电子器件。二氧化钒结构众多，其中的M相包含了M1相和M2相两种结构，一般情况下在没有外界对二氧化钒的干扰作用下，室温下二氧化钒呈现的是M相中的M1结构，M2相结构的出现是由于外界的微扰作用引起的。石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常高的强度，平均模量可大于0.25TPa。另一方面，石墨烯具有电阻率低、饱和电流高、导热系数高、单位面积发热功率高、传热快、发热均匀等特点。因此，石墨烯非常适合应用于加热膜领域。基于此，本专利技术选用石墨烯作为红外调控器件的发热层。微波水热法即利用微波作为加热工具，实现分子水平上的搅拌，克服传统水热釜加热不均匀的缺点，缩短反应时间，提高工作效率，有加热速度快、加热均匀、无温度梯度、无滞后效应等优点。PET膜又名耐高温聚酯薄膜。它具有优异的物理性能、化学性能及尺寸稳定性、透明性、可回收性，可广泛应用于磁记录、感光材料、电子、电气绝缘、工业用膜、包装装饰、屏幕保护、光学级镜面表面保护等领域。本专利技术设计了石墨烯/二氧化钒@聚氨酯/PET器件，利用微波水热法合成制备二氧化钒粉末，石墨烯加热膜控制二氧化钒的温度从而实现对红外光透过率的动态调控。同时本专利技术采用柔性衬底，制备了柔性器件，扩展了该器件的应用范围。本专利技术所提出的器件结构简单，成本低廉，制作工艺简单，且器件响应速度快、性能稳定，可直接用于智能窗的产品化生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种动态快速调控红外光透过率的柔性器件及其制备方法和应用。本专利技术旨在通过叠层石墨烯发热来调控M1相VO2的金属-绝缘体相变(MIT)行为，实现对红外光透过率的动态调控。为了实现本专利技术的上述第一个目的，本专利技术采用如下技术方案：一种动态快速调控红外光透过率的柔性器件，所述器件从下至上依次包括柔性衬底层、相变材料层、石墨烯发热层，其中：所述相变材料为二氧化钒@聚氨酯复合薄膜，所述相变材料层和石墨烯发热层之间还设置有两端电极，两端电极用于施加偏压加热石墨烯。进一步地，上述技术方案，所述石墨烯为叠层石墨烯。进一步地，上述技术方案，所述柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜。本专利技术的另一目的在于提供上述所述动态快速调控红外光透过率的柔性器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：(1)将M1相二氧化钒(VO2)粉末加入到适量无水乙醇中，超声处理均匀分散后，再加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，搅拌、离心、洗涤、真空干燥，得到改性的M1相VO2粉末；(2)将步骤(1)得到的改性M1相VO2粉末分散到丙酮溶剂中，再加入热塑性聚氨酯(TPU)，搅拌分散均匀后，得到M1相VO2悬浮液；(3)利用浸渍涂布方法，将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底浸润到步骤(2)得到的M1相VO2悬浮液中0.5～1h，控制涂布机的提拉速度为2～6cm/min，得到VO2@TPU/PET复合薄膜；(4)将步骤(3)制得的VO2@TPU/PET复合薄膜置于掩膜版上，放置于真空镀膜机，开启真空泵抽真空，待真空度低于10-4Pa时，加热Al颗粒在复合薄膜两端制备条形Al电极；(5)通过湿法转移将叠层石墨烯转移到复合薄膜和电极表面，即制得本专利技术所述的动态调控红外光透过率的柔性器件。进一步地，上述技术方案，步骤(1)所述聚乙烯吡咯烷酮与二氧化钒的质量比为3～8：100。进一步地，上述技术方案，步骤(2)所述热塑性聚氨酯与二氧化钒的质量比为40～80：100。进一步地，上述技术方案，步骤(1)所述M1相VO2粉末是以五氧化二钒，草酸为原料，采用微波水热法先制备得到A相二氧化钒粉末，然后将A相二氧化钒粉末在氩气保护气氛中进行退火处理，得到所述的M1相二氧化钒粉末。本专利技术的第三个目的在于提供上述所述方法制得的柔性器件的应用，所得柔性器件可用于制备智能窗产品。本专利技术的原理如下：本专利技术首先利用微波水热法合成制备二氧化钒粉末，然后将二氧化钒粉末进行改性，通过浸涂法制备出了以PET为衬底的柔性二氧化钒@聚氨酯复合薄膜，再在复合薄膜表面两端蒸镀铝电极，最后将叠层石墨烯转移到复合薄膜表面，设计制备出了石墨烯/二氧化钒@聚氨酯/PET器件。本专利技术通过对器件的两端电极施加偏压，石墨烯薄膜产生焦耳热，热量传导给二氧化钒复合薄膜，引发二氧化钒的相变；本专利技术还可通过调节施加偏压的大小，控制复合薄膜中二氧化钒薄膜的MIT相变行为，从而实现对红外光透过率的动态调控；另外，本专利技术器件在不施加偏压的条件下，也可利用石墨烯的良好透光性和导热性，通过其他辅助加热方式(例如太阳光照射、高温环境等)直接将热量传导给二氧化钒复合薄膜，引发二氧化钒薄膜的相变行为，同样可实现器件对红外光透过率的调控。与现有技术相比，本专利技术涉及的一种动态快速调控红外光透过率的柔性器件及其制备方法和应用具有如下有益效果：(1)本专利技术创造性地利用石墨烯作为发热层，通过石墨烯发热层间接地调控二氧化钒的MIT行为，实现对红外光透过率的动态调控，本专利技术制得的柔性器件响应速度快，器件响应时间TOFF和TON最短分别为5S和2S；(2)目前现有技术普遍采用脉冲激光沉积(PLD)法、磁控溅射(Sputter)法制备的二氧化钒智能窗均采用的是蓝宝石作为衬底材料，该衬底材料与二氧化钒贴合性较差，影响热传导效率。而本专利技术采用PET作为柔性衬底，二氧化钒复合薄膜在PET表面具有较好的粘附性，因此本专利技术制得的动态调控红外光透过率的器件热传导效率高，而且，所制备的柔性器件可拓宽二氧化钒智能窗的应用范围；(3)本专利技术采用微波水热法制备二氧化钒粉末，可大幅度的缩短反应时间，提高制备生产效率。附图说明图1是本专利技术动态快速调控红外光透过率的柔性器件的结构示意图；图2是本专利技术实施例1～3制得的柔性器件的红外光调制效果对比图；图3是本专利技术实施例1制得的柔性器件的响应速率图；图4是本专利技术实施例2制得的柔性器件的响应速率图；图5是本专利技术实施例3制得的柔性器件的响应速率图；图6是本专利技术实施例1中四层叠层石墨烯湿法转移的工艺流程图。具体实施方式下面对本专利技术的实施案例作详细说明。本实施案例在本专利技术技术方案的前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施案例。根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本专利技术的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本专利技术的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种动态快速调控红外光透过率的柔性器件，其特征在于：所述器件从下至上依次包括柔性衬底层、相变材料层、石墨烯发热层，其中：所述相变材料为二氧化钒@聚氨酯复合薄膜，所述相变材料层和石墨烯发热层之间还设置有两端电极，两端电极用于施加偏压加热石墨烯。

【技术特征摘要】
1.一种动态快速调控红外光透过率的柔性器件，其特征在于：所述器件从下至上依次包括柔性衬底层、相变材料层、石墨烯发热层，其中：所述相变材料为二氧化钒@聚氨酯复合薄膜，所述相变材料层和石墨烯发热层之间还设置有两端电极，两端电极用于施加偏压加热石墨烯。2.根据权利要求1所述的动态快速调控红外光透过率的柔性器件，其特征在于：所述石墨烯为叠层石墨烯。3.根据权利要求2所述的动态快速调控红外光透过率的柔性器件，其特征在于：所述柔性衬底为聚对苯二甲酸乙二醇酯PET膜。4.权利要求3所述的动态快速调控红外光透过率的柔性器件的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)将M1相二氧化钒VO2粉末加入到适量无水乙醇中，超声处理均匀分散后，再加入聚乙烯吡咯烷酮PVP，搅拌、离心、洗涤、真空干燥，得到改性的M1相VO2粉末；(2)将步骤(1)得到的改性M1相VO2粉末分散到丙酮溶剂中，再加入热塑性聚氨酯TPU，搅拌分散均匀后，得到M1相VO2悬浮液；(3)利用浸渍涂布方法，将聚对苯二甲酸乙二醇酯PET衬底浸润到步骤(2)得到的M1相VO2悬浮...

【专利技术属性】
技术研发人员：何云斌，苗良爽，李派，常钢，黎明锴，卢寅梅，张清风，李昊，王歆茹，
申请(专利权)人：湖北大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42