专利名称：一种合金气致变色薄膜材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在基片上的合金气致变色薄膜材料。
背景技术：
气致变色薄膜材料一般包括变色材料和催化材料，结构可以为复合薄膜结构或者催化剂分散在变色材料中的单层结构，工作气体在催化剂的作用下变为具有活性的原子与催化层结合，生成新的结构，导致变色；而其表面通惰性气体时，上述活性原子又脱离变色材料，发生逆向反应，复原原来颜色。从而实现薄膜的光学特性(透过率、反射率)变化，可以用于智能窗涂膜用以改善调节光线、节能、隔热、保温等。
智能窗气致变色薄膜材料的一般要求是1.在通气变化中具有较大的光透过率可变范围；2.在通气变化中，气致变色应为可逆变化；3.具有良好的耐久性(气致变色循环满足实际需要一般要求5000次以上，薄膜的变色效率仍为初始的50％左右)；4.材料符合卫生条件要求和有关毒性方面的标准；5.成本要低廉。
根据以上要求，目前国内外已经开发了一些气致变色材料，主要集中在金属氧化物方面的研究。例如中国专利申请00131023.2公开了一种在衬底上制备气致变色WO3薄膜的方法，并用掺杂SiO2来改善WO3薄膜气致变色性能，该方法制得的WO3薄膜具有如下特点1.由于结构的疏松性得到改善，变色效率比单纯WO3薄膜高；2.该方法由于采用了溶胶—凝胶法制备薄膜，设备简单，成本较低；但该方法金属氧化物气致变色材料为吸收式变色，即变色过程中，薄膜阻止光透过是以吸收的方式工作的，光吸收产生增温，导致二次辐射作用明显，使得室内空调负荷增大，这大大降低了其用于节能窗时的节能效果，而且由于薄膜升温，薄膜的热稳定性得到挑战，容易老化。
合金薄膜气致变色材料开辟了气致变色的一个新的领域，其具有更大光透过率调节范围，合金薄膜的反射式控制透过率、反射率，减小了二次辐射，提高了节能效率。在1996年，Huiberts等发现镀有Pd保护催化的稀土合金薄膜在有无氢气加载的情况下，可以高效可逆地实现在具有高反射率的镜体和具有宽禁带的透明体之间进行转换。此类合金薄膜材料的变色机理现在还没有完全弄清楚，但研究显示此类金属合金的纳米薄膜在金属态的情况下，反应出金属特性，具有较高的反射率；而当通入稀释的H2气(低于4％)时，覆有Pd(或Pt)的合金薄膜在可见光范围内，具有70％以上的透过率。但稀土合金薄膜的成本相对较高。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种二次辐射低，节能效果明显且低成本、耐久的合金气致变色薄膜材料。
本发明是一种以Mg、Ni和稀土金属为气致变色合金工作层的合金气致变色薄膜材料。所述合金气致变色薄膜材料为多层膜结构，从上往下依次包括催化层1、气致变色合金工作层2。或者依次包括催化层1、防扩散层3、气致变色合金工作层2、过渡层4。本发明使用时，可在基片上覆盖本发明合金气致变色薄膜材料，所述基片5可以是SiO2透明玻璃材料。
本发明合金薄膜气致变色材料形成的薄膜变色机制为薄膜表面通稀释的氢气时，氢气在催化层的作用下分解为活泼的氢原子，薄膜的合金层与氢原子结合形成透明的氢化态膜层；而薄膜表面通入惰性气体时，合金层发生与上述过程逆向的脱氢反应，形成金属态膜层，该膜层显现金属特性，具有大的反射率。这种变色机制很好地解决了薄膜二次辐射，提高了节能效果。Mg-Ni合金薄膜的变色机制是Mg-Ni合金(金属特性，高反射率)到Mg2NiH4(透明体)间的可逆相互转换导致变色。
催化层1为5～15nm厚的Pd、Pt或Rh金属薄膜，其作用为与氢气结合，将氢气转换为活泼的氢原子，起到降低反应活化能、提高反应速率的作用。气致变色合金工作层2的厚度为20～100nm，其组成是Mg-Ni合金，其中Mg、Ni的摩尔比为20∶1～10∶3；或者基于Mg-Ni合金，掺杂稀土元素Y、或La、或Er，其中稀土金属元素的摩尔百分含量为0.5％～10％；或者Mg、Ni之一与稀土元素Y、或La、或Er组成的合金，其中稀土金属元素所占摩尔百分含量为30％～60％。防扩散层3是1～10nm厚的NbO，其作用是减小催化层与合金层之间的扩散效应，提高材料的变色重复性。过渡层4为5nm～30nm厚的合金层中组分中的一种金属，如Mg-Ni合金，即可镀5nm～30nm厚的Mg或者Ni作为过渡层，其作用为提高薄膜变色效率。
本发明有着如下明显的优点及有益效果1.二次辐射低，节能效果明显。
2.采用1～10nm厚的NbO作为防扩散层，使得催化层和合金工作层之间的扩散得到有效阻止，大大提高了耐久性；3.该材料使用基片与合金层之间加过渡层结构，用以改善合金薄膜工作层的变色性能。
4.原料资源丰富，成本较低。
图1是本发明实施例1～4膜层结构示意2是氢化态和金属态Mg-Ni薄膜(5∶1)的透过率对比图(340-2500nm波长范围内)图3是NbO防扩散层对合金薄膜变色重复性影响测试4是实施例5～8膜层结构示意5是实施例7透过率测试6是实施例8氢化态、金属态反射率对比图具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明实施例1本实施例是在玻璃基片5上覆盖合金气致变色薄膜。所述合金气致变色薄膜的膜层由40nm厚度的合金层和5nm厚的钯(Pd)层组成(见图1)，其中合金层Mg、Ni的摩尔比为20∶1，在通入氢气(4V/V％)的状态下，用波长λ＝670nm光测得薄膜透过率为20％。
实施例2本实施例是在玻璃基片5上覆盖合金气致变色薄膜。所述合金气致变色薄膜的膜层由40nm厚度的合金层和5nm厚的钯(Pd)层组成(见图1)，其中合金层Mg、Ni的摩尔比为2.5∶1，在通入氢气(4V/V％)的状态下，用波长λ＝670nm光测得薄膜透过率为46％。
实施例3本实施例是在玻璃基片5上覆盖合金气致变色薄膜。所述合金气致变色薄膜的膜层由40nm厚度的合金层和5nm厚的钯(Pd)层组成(见图1)，其中合金层Mg、Ni的摩尔比为5∶1，在通入氢气(4V/V％)的状态下，用波长λ＝670nm光测得薄膜透过率为72％。该薄膜在340-2500nm波长范围内的透过率在高低氢态的对比图如图2所示。
实施例4本实施例是在玻璃基片5上覆盖合金气致变色薄膜。所述合金气致变色薄膜的膜层由40nm厚度的合金层MgNi0.1、10nm厚的Pd层组成(见图1)。其耐久性测试结果如图3所示。
实施例5本实施例是在玻璃基片5上覆盖合金气致变色薄膜。所述合金气致变色薄膜的膜层由5nm厚的过渡层Mg、40nm厚度的合金层MgNi0.1、2nm厚的NbO层和10nm厚的Pd层组成(见图4)。其耐久性测试结果如附图4。
实施例6本实施例是在玻璃基片5上覆盖合金气致变色薄膜。所述合金气致变色薄膜的膜层由15nm厚的过渡层Mg、40nm厚的MgNi0.2合金层、5nm厚的NbO和15nm厚的Pd层组成(见图4)。使用氢气(4V/V％)和纯的氩气通过薄膜表面，进行变色性能的测试。测得镀有过渡层的薄膜变色速度比没有镀过渡层的薄膜快。
实施例7本实施例是在玻璃基片5上覆盖合金气致变色薄膜。所述合金气致变色薄膜的膜层结构为10nm厚的过渡层Mg、50nm厚的La0.51Mg0.49、5nm厚的NbO，其上5nm厚的Pd层(见图4)。薄膜在200～2000nm波长范围的透过率测试结果如图5所示。
实施例8本实施例是在玻璃基片5上覆盖合金气致变色薄膜。所述合金气致变色薄膜的膜层结构为30nm厚的过渡层Ni、80nm的厚的Mg87Ni12Y1合金薄膜、10nm厚NbO，其上5nm厚的Pt层(见图4)，其高氢态和低氢态的薄膜反射率对比如图6所示。
权利要求
1.一种合金气致变色薄膜材料，其特征在于所述合金气致变色薄膜材料为多层膜结构，从上往下依次包括催化层(1)、气致变色合金工作层(2)。
2.如权利要求1所述的合金气致变色薄膜材料，其特征在于所述合金气致变色薄膜材料从上往下依次包括催化层(1)、防扩散层(3)、气致变色合金工作层(2)、过渡层(4)。
3.如权利要求1或2所述的合金气致变色薄膜材料，其特征在于所述催化层1为5～15nm厚的Pd、Pt或Rh金属薄膜。
4.如权利要求1或2所述的合金气致变色薄膜材料，其特征在于所述气致变色合金工作层(2)为Mg-Ni合金，其中Mg、Ni的摩尔比为20∶1～10∶3，厚度为20～100nm。
5.如权利要求1或2所述的合金气致变色薄膜材料，其特征在于所述气致变色合金工作层(2)为基于Mg-Ni合金，掺杂稀土元素Y、或La、或Er，其中稀土金属元素的摩尔百分比为0.5％～10％，厚度为20～100nm。
6.如权利要求1或2所述的合金气致变色薄膜材料，其特征在于所述气致变色合金工作层(2)为Mg或Ni与稀土元素Y、或La、或Er组成的合金，其中稀土金属元素所占摩尔百分比为30％~60％，厚度为20～100nm。
7.如权利要求2所述的合金气致变色薄膜材料，其特征在于所述防扩散层(3)为1～10nm厚的NbO。
8.如权利要求2所述的合金气致变色薄膜材料，其特征在于所述过渡层(4)为5～30nm厚的Mg或Ni薄膜。
全文摘要
本发明提供了一种新型合金气致变色薄膜材料，为多层膜结构，从上往下依次包括催化层1、气致变色合金工作层2。或者依次包括催化层1、防扩散层3、气致变色合金工作层2、过渡层4。催化层1为5～15nm厚的Pd、Pt或Rh金属薄膜。气致变色合金工作层2的厚度为20～100nm，其组成是摩尔比为20∶1～10∶3的Mg－Ni合金；或者基于Mg－Ni合金，掺杂稀土元素Y、或La、或Er，其中稀土金属元素的摩尔百分含量为0.5％～10％；或者Mg、Ni之一与稀土元素Y、或La、或Er组成的合金，其中稀土金属元素所占摩尔百分含量为30％～60％。防扩散层3是1～10nm厚的NbO。过渡层4为5nm～30nm厚的合金层中组分中的一种金属。本发明二次辐射低，节能效果明显且低成本、耐久。
文档编号G02B1/10GK1821812SQ20061003288
公开日2006年8月23日 申请日期2006年1月13日 优先权日2006年1月13日
发明者徐刚, 徐雪青, 石川 申请人:中国科学院广州能源研究所