一种高性能防退化智能涂层及其制备方法与应用

本发明属于防退化智能涂层，特别涉及一种高性能防退化智能涂层及其制备方法与应用。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、被动热调节系统能够有效减少能源消耗，而辐射制冷技术作为一种不需要额外输入电源的被动热调节方式，近年来取得了显著进展。辐射制冷技术通过高太阳反射率和热发射率材料，实现将热量辐射到外太空，从而达到降温效果。该技术在航天温控、建筑节能、光伏冷却、无源发电等领域具有广阔的应用前景，例如在航天器上，热辐射是唯一的散热途径，在建筑物中，辐射制冷可以与屋顶、墙壁和窗户集成，以降低建筑物整体的冷却需求。

3、发明人发现：目前的涂层材料设计主要存在着缺乏防退化结构设计、只具有单一的散热或保温功能、缺乏泛用性的问题。传统涂层在航天应用中会因高能粒子而发生辐射退化，在地面应用中，环境中的物质会对建筑表面造成侵蚀，影响表面材料的热光学性质；现有的辐射制冷材料涂层面临夜间或冬季温度较低时会产生过量的热量损失的问题，缺乏对较大温差工况下的调节性。因此，提出一种具有防退化效果，且兼具散热和保温效果，能同时应用于地面和航天领域的高性能智能涂层，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明目的是提供一种高性能防退化智能涂层及其制备方法与应用，实现在高温环境下最大限度地增加热辐射，在低温环境下降低热辐射，以减少热量损失，维持空间内温度在一定范围内，即实现辐射自开关。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、本发明的第一方面，提供一种高性能防退化智能涂层，所述高性能防退化智能涂层为多层复合结构，包括由上至下依次设置的防退化层、二氧化钒(vo2)相变层、介质层、高反射层；

4、所述介质层的底面设置高反射层；所述介质层的上表面设置二氧化钒相变层；

5、所述防退化层包括：第一矩形光栅结构和第二矩形光栅结构；

6、所述第一矩形光栅结构与外界环境接触；

7、所述第二矩形光栅结构的凹槽部分与所述二氧化钒相变层相接；

8、所述第二矩形光栅结构的凸起部分与所述二氧化钒相变层的顶部和所述介质层的顶部相接。

9、优选的，所述二氧化钒相变层与所述介质层可采用多重堆叠结构，实现多重f-p谐振，达到增大红外发射率调控幅度的效果。

10、进一步优选的，所述f-p谐振腔的共振波长为9.6μm，随着堆叠层数的增加，新增的f-p谐振腔的共振波长增加，依次为15μm、20μm。

11、优选的，所述多重堆叠结构不超过三重。

12、优选的，所述防退化层的材料为si；所述介质层的材料为baf2；所述高反射层采用的是金属材料；进一步优选的，所述金属材料为al。

13、优选的，所述第一矩形光栅结构一个周期的宽度λ＝5.26μm；所述第一矩形光栅结构的上方凸起结构的竖直长度为1.81μm，水平长度为0.75μm。

14、优选的，所述防退化层的厚度为1.86μm；所述二氧化钒相变层的厚度为0.05μm，单位周期内二氧化钒相变层的宽度w＝4.15μm；所述介质层的厚度为1.44μm；所述高反射层的厚度为0.10μm。

15、本发明的第二个方面，提供一种高性能防退化智能涂层的制备方法，包括如下步骤：

16、s1、对双抛硅晶片进行双面干法刻蚀，雕刻矩形光栅结构，即得防退化层；

17、s2、在步骤s1制得的防退化层表面用磁控溅射法制备一层二氧化钒相变层；

18、s3、在步骤s2制得的二氧化钒薄膜相变层和防退化层相嵌的平整表面，采用物理气相沉积法方法制备一层介质层；

19、s4、在步骤s3制得的介质层上采用物理气相沉积法制备一层高反射层，即得高性能防退化智能涂层。

20、优选的，步骤s1中，所述干法刻蚀选用高密度等离子体刻蚀。

21、进一步优选的，所述高密度等离子体刻蚀的工艺条件为：选用正性光刻胶，旋涂厚度0.5～1.5μm，主要刻蚀气体选用氯气，辅助气体选用氩气，容器压力1～10m torr，射频功率50～200w，偏压-50～-200v。

22、进一步优选的，所述高密度等离子体刻蚀的工艺方法为：运用标准光刻技术来制作vo2图形，借助紫外光刻机，把预先设计好的图案投射至光刻胶薄膜之上；运用显影液把曝光区域的光刻胶去除，留存未曝光区域的光刻胶图案；显影结束后，使用清水冲洗干净，消除残留的显影液；利用等离子体刻蚀机，将vo2薄膜中未被光刻胶覆盖的部分去除，塑造出所需的图案；采用丙酮去胶液将剩余的光刻胶清除，以完成vo2图形的制作。

23、优选的，步骤s2中，所述磁控溅射的工艺条件为：以高纯度金属钒为靶材，溅射气体为氩气，反应气体为氧气，本底真空度小于10-6torr，气体溅射压力5m torr，射频功率150w，基底温度300℃，反应气体比例为2％。

24、优选的，步骤s2中，所述物理气相沉积法为电子束蒸发。

25、进一步优选的，步骤s2中，所述电子束蒸发的工艺条件为：蒸发源为高纯度氟化钡靶材，腔室压力小于1×10-6torr，样品台温度为200℃～300℃，蒸发速率为0.1～0.5nm/s。

26、优选的，步骤s4中，所述物理气相沉积法为电子束蒸发。

27、进一步优选的，步骤s4中，所述电子束蒸发的工艺条件为：蒸发源为高纯度铝靶材，腔室压力小于1×10-6torr，样品台温度为100℃～200℃，蒸发速率为0.05～0.15nm/s。

28、上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：

29、(1)本发明选择si作为退化层材料，是考虑到si本身是红外透明材料，衰减系数为0，对辐射特性影响较小；但同时si的折射率又较大，会增强薄膜对入射光的反射，降低整体的发射率，因此权衡两者之间的关系使辐射特性达到最佳值，以抵御空间环境侵蚀，确保涂层热光学性质稳定；

30、同时，退化层采用光栅结构，以排除新增的防退化层对涂层辐射特性的影响，并在一定程度上提高了涂层整体的发射率可调幅度。

31、(2)本技术结构中涉及的光栅结构可以形成类似于谐振腔的结构，增强特定波长的光的吸收和发射，光栅结构是一种周期性的结构，类似于光子晶体，具有光子禁带的性质。在光子禁带范围内，特定波长的光无法在光子晶体中传播，会被完全反射。本发明通过调节和优化光栅结构的尺寸和周期，可以控制光子禁带的位置，从而增强特定波长光的吸收和发射。

32、(3)本发明可利用二氧化钒相变层的热敏性实现红外发射率的可逆调节，采用光栅结构，与防退化层相嵌，以减少太阳吸收率，并且利用二氧化钒的相变性能，可以实现全反射与超宽带吸收切换。

33、(4)本发明的相变层与介质层可采用多重堆叠结构，实现多重f-p谐振，达到增大红外发射率调控幅度的效果。

34、(5)本发明制备的高性能防退化智能涂层具有防退化效果，且兼具散热和保温效果，能同时应用于地面和航天领域的高性能智能涂层。在航天器中应用能减少航天器制冷设备的携带；在地面应用中能够有效降低能耗，减少碳排放，具有显著的经济效益和环境效益，在当前节能减排的大背景下具有广阔的应用前景。