热致相变二氧化钒材料的制备及性能研究

发布时间：2017-07-08 03:01

  本文关键词：热致相变二氧化钒材料的制备及性能研究

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【摘要】：二氧化钒(VO_2)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。本文首先以五氧化二钒(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-VO_2)。然后以钨酸钠(Na2WO4·2H2O)、钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O)为掺杂剂,采用纯M-VO_2相粉体的制备工艺,制备不同钨钼掺杂量的M-VO_2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VO_2薄膜。通过对产物FT-IR、TG、DSC、XRD、SEM、EDX、UV-VIS等测试分析,研究了VO_2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VO_2薄膜的光学性能进行了初步的研究,得到以下结论:(1)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-VO_2相粉体;单个颗粒呈方块状,长约150nm,宽约100nm,相变温度为67.8℃。(2)采用纯M-VO_2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-VO_2粉体。但W、Mo原子掺杂在一定程度上破坏了M-VO_2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VO_2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。(3)W、Mo掺杂都能有效的降低VO_2的相变温度且W的掺杂效率要高于Mo的掺杂效率。VO_2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),VO_2相变温度降低22.0℃;掺杂1at%Mo的钼酸铵((NH4)6Mo7O24·4H2O),VO_2相变温度降低5.1℃。(4)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VO_2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-VO_2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-VO_2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VO_2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。
【关键词】：热分解 二氧化钒 掺杂 有机溶胶-凝胶 热致变色薄膜
【学位授予单位】：武汉工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ135.11
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 文献综述12-29
• 1.1 引言12-14
• 1.2 二氧化钒的结构与性能14-20
• 1.2.1 二氧化钒的晶体结构14-17
• 1.2.2 二氧化钒的能带结构17-18
• 1.2.3 二氧化钒的相变性能18-19
• 1.2.4 掺杂对二氧化钒的结构与性能的影响19-20
• 1.3 二氧化钒的应用前景20-22
• 1.3.1 光盘介质材料20
• 1.3.2 激光防护装置20-21
• 1.3.3 非制冷红外探测器21-22
• 1.3.4 热敏电阻材料22
• 1.3.5 智能窗薄膜涂层22
• 1.4 二氧化钒的研究现状22-27
• 1.4.1 二氧化钒粉体的研究进展22-25
• 1.4.2 二氧化钒薄膜的研究进展25-26
• 1.4.3 降低二氧化钒相变温度的研究进展26-27
• 1.5 本文选题背景和研究内容27-29
• 1.5.1 选题背景27-28
• 1.5.2 研究内容28-29
• 第2章 二氧化钒粉体的制备与表征29-43
• 2.1 引言29
• 2.2 实验工艺及表征方法29-33
• 2.2.1 实验原料与设备29-31
• 2.2.2 实验工艺流程31-33
• 2.2.3 实验测试与表征33
• 2.3 实验结果与讨论33-41
• 2.3.1 前驱体的红外光谱分析33-34
• 2.3.2 前驱体的差热分析34-36
• 2.3.3 粉体的物相分析36-39
• 2.3.4 二氧化钒粉体的相变温度分析39
• 2.3.5 二氧化钒粉体的形貌分析39-41
• 2.4 本章小结41-43
• 第3章 掺杂二氧化钒粉体的制备与表征43-63
• 3.1 引言43
• 3.2 实验工艺与表征方法43-45
• 3.2.1 掺杂实验原料和设备43-44
• 3.2.2 掺杂实验工艺流程44-45
• 3.2.3 掺杂实验测试与表征45
• 3.3 掺杂实验参数设计45-47
• 3.3.1 不同掺杂量VOCl_2溶液的配制45-46
• 3.3.2 不同掺杂量前驱体的热解46-47
• 3.4 实验结果与讨论47-61
• 3.4.1 掺杂二氧化钒粉体的物相分析47-51
• 3.4.2 掺杂二氧化钒粉体的红外光谱分析51-52
• 3.4.3 掺杂二氧化钒粉体的相变温度分析52-54
• 3.4.4 掺杂二氧化钒粉体的元素分析54-58
• 3.4.5 掺杂二氧化钒粉体的形貌分析58-59
• 3.4.6 掺杂二氧化钒粉体的理论研究59-61
• 3.5 本章小结61-63
• 第4章 二氧化钒薄膜的制备与表征63-80
• 4.1 引言63
• 4.2 实验工艺与表征方法63-68
• 4.2.1 实验原料与设备63-65
• 4.2.2 实验工艺流程65-67
• 4.2.3 薄膜样品展示67
• 4.2.4 实验测试与表征67-68
• 4.3 实验结果与讨论68-77
• 4.3.1 红外光谱分析68-69
• 4.3.2 差热分析69-70
• 4.3.3 物相分析70-72
• 4.3.4 薄膜光学性能分析72-74
• 4.3.5 薄膜形貌分析74-77
• 4.4 本章小结77-80
• 第5章 结论与展望80-83
• 5.1 结论80-82
• 5.2 展望82-83
• 参考文献83-90
• 攻读硕士期间取得成果90-91
• 致谢91

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本文编号：532740