VO2粉体的制备方法和晶相控制

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VO2是一种具有相变特性的热敏功能材料,半导体单斜晶相VO2(M)到金属导体相VO2(R)的可逆转变,导致红外透光率变化,在建筑、汽车等领域有应用前景。在具体应用中,粉体粒径过大或是相变温度过高限制了其应用的发展。因此,探索单斜晶相VO2(M)粉体的高效制备方法、晶相控制以及研究细化粒径和降低相变温度的影响因素,具有挑战性。  本论文采用了液相沉淀-煅烧法与湿化学-热分解法,制备了单一组分的单斜晶相VO2(M)粉体,实验以V2O5为原料,第一步通过添加盐酸肼和浓盐酸,制备VOCl2前驱体溶液,第二步以VOCl2前驱体溶液为主要原料,分别通过添加沉淀剂和还原剂,按照两种路线制备出不同的前驱体,并在高温下煅烧分解得到了VO2粉体。论文着重研究了两种方法制备VO2(M)粉体的影响因素,对于液相沉淀-煅烧法,通过在热分解前掺杂SiO2气凝胶,成功降低了VO2粉体的粒径大小。对于湿化学-热分解法,则通过掺W降低了VO2粉体的相变温度。同时,将上述两种方法制备的粉体与有机硅溶胶混合制备成浆料并在玻璃上镀膜,测试其高低温的透过率变化。主要成果有以下几个方面:  (1)液相沉淀-煅烧法中煅烧温度对晶相及形貌有很大影响,煅烧过程中VO(OH)2经由V6O13逐渐转化为VO2(M)。  (2)煅烧前将SiO2气凝胶和VO(OH)2前驱体混合可以有效细化VO2(M)粉体的粒径。随着SiO2气凝胶含量的增大,VO2(M)粉体的粒径逐渐减小。当SiO2气凝胶含量达到1/5时,粒径可以减少到100nm以下,相变温度降低1.8℃。  (3)湿化学-热分解法中还原剂种类、添加量、煅烧温度以及掺W对晶型和形貌都有较大影响。结果表明,三种还原剂(PVP、PEG和草酸)均能制备出VO2(M)粉体,其中PVP最适量为3wt%,PEG最适量为1~3wt%,草酸最适量为5~7.5wt%,煅烧温度均以600℃较适。PVP为还原剂时,煅烧过程中前驱体经由V6O13逐渐转化为VO2(M);PEG为还原剂时,前驱体则由非晶体逐渐转化为VO2(M);草酸为还原剂时,前驱体则由V4O9逐渐转化为VO2(M)。三种方法制备出的粉体中,以草酸助剂得到的VO2(M)粉体结晶度最高,形貌更为均匀和分散。  (4)通过掺W可以调控VO2粉体的相变温度,随着掺钨量的增加,相变温度呈线性下降趋势,平均每掺杂W1at%,相变温度降低约11.19℃。当混料掺入的W含量达到4at%(产物粉体中实际值为2.7at%)时,VO2粉体的相变温度降到38℃附近。  (5)将合成的VO2粉体制成分散液与SiO2成膜剂混合,然后涂膜,对VO2薄膜进行光学测试发现,薄膜在高温(70℃)时的透过率均小于低温(20℃)时的透过率,说明70℃时已经完成了半导体到金属相的转变,所制备薄膜具有一定的控温特性。
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