热致变色材料的吸收控制研究
第３０卷第７期２００９年７月
工程热物理学报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＴＨＥＲＭＯＰＨＹＳＩＣＳ
Ｖｂｌ．３０．Ｎｏ．７
Ｊｕｌ．．２００９
热致变色材料的吸收控制研究
刘广平
摘要
宣益民
李
强
韩玉阁
（南京理工大学动力工程学院，江苏南京２１００９４）
（Ｌａｌ一。ｓｒ。）Ｍｎ０３型热致变色材料是一种新型热致发射率变化功能材料，该材料的最大不足在于对太阳辐射具
有很大的吸收率。针对以上问题，本文将一维微结构光谱控制特性应用于（Ｌａｌ一。ｓｒ。）Ｍｎ０３型热致变色材料的吸收控制研究，根据太阳辐射能量分布及热致变色材料的应用温度，分析了一维微结构与热致变色材料的匹配特性，确定了一维微结构的光谱特性及其带宽。采用遗传算法优化设计了一维微结构，计算了优化结构的光谱特性，根据其光谱特性分别评估和计算了吸收控制性能和发射率变化特性，并进行了深入分析。
关键词热致变色材料；光谱控制；一维微结构中圉分类号：ＴＫｌ２４文献标识码：Ａ文章编号：０２５３—２３１ｘ（２００９）ｏ弘１２１３一０３
ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩｏＮｏＮＡＢＳｏＲＰＴＩＶＩＴＹＣｏＮＴＲｏＬｏＦ
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０前言
辐射，针对在太阳辐射波段吸收率问题，有效方法是
应用一维微结构阻止太阳辐射能量到达其表面。如图１给出了一维微结构实现热致变色材料光谱控制结构示意图。分析太阳表面辐射能量分布随波长的变化关系可知，ｏ．２５—２．５¨ｍ波段占到太阳总辐射能
量的９５．６％，所以，本文忽略小于ｏ．２５¨ｍ和大于
（Ｌａｌ一。Ｓｋ）Ｍｎ０３型热致变色材料是一种新型热致发射率变化功能材料［１￣引，其最大特点在于发射率随温度而敏感变化，是一种良好的可变发射率智能型热控涂层材料［４］＇然而，这种材料对短波太阳辐射能量有超过ｏ．８的吸收率［２】＇严重限制了在航天热控制方面的应用。本文将一维微结构热辐射光谱控制特性应用于（Ｌａ，一。ｓｒ。）Ｍｎ０３型热致变色材料太阳辐射吸收的控制，从太阳辐射以及应用温度入手，采用遗传优化算法优化设计一维微结构，基于电磁波理论计算了光谱特性，并评估其光谱控制性能。
１光谱匹配性分析
热致变色材料将主要接收来自外部空间的太阳
收稿日期：２００８—１２—０４；修订日期：２００９—０６—１８
Ｆｉｇ．１
图１光谱控制示意图图
Ｓｐｅｃｔｒ甜ｃｏｎｔｒｏｌｏｆ
ｔｈｅｒｍｏｃｈｒｏｍａｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌ
基金项目：国家自然科学基金（Ｎｏ．５０８７６０４４）；教育部新世纪优秀人才支持计划（２００７年度）作者简介：刘广平（１９７９一），男，陕西麟游人，博士，主要从事微尺度辐射研究。
万方数据
工程热物理学报３０卷
２．５¨ｍ波段的太阳辐射。
将一维微结构用于降低热致变色材料对太阳辐射吸收时，要求一维微结构在热致变色材料发射波
段透明。假设热致变色材料的应用温度为２００—４００
Ｋ，则热致变色材料自身辐射能量分布在２—１００¨ｍ的波段范围内，对以上波段的辐射能量进行了统计计算，表１给出了计算结果。
表１热致变色材料自身辐射能量分布
Ｔｈｂｌｅ１
Ｒａｄｉａｔｉｖｅ
ｅｎｅｒｇｙ
ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅ
ｔｈｅｒｍｏｃｈｒｏｍａｔｉｃ
ｎｌａｔｅｒｉａｌ
０～５．Ｏ“ｍ０～７．０¨ｍ０～１４．０¨ｍ０～２０¨ｍＯ～３０¨ｍ
２００Ｋ０．０３％Ｏ．８％２３．１％４８．５％７４．２％３００Ｋ１．４％８．６％５１．９％７４％８９．２％４００Ｋ７％２３．３％７０．３％８５．８％９４．６％
所以用于热致变色材料光谱控制的一维微结构光谱特性必须与热致变色材料特性及应用温度相匹配，具体要求包括：（１）在ｏ．２５—２．５¨ｍ波段具有高反射特性，保证外来太阳辐射能量不能到达热致变
色材料表面；（２）在７—８０ｐｍ具有透射特性，保证热
致变色材料自身辐射能量能够接近于１００％地进入外
部空间。
２热致变色材料光谱特性计算
热致变色材料的光谱特性之一是在太阳辐射ｏ．２５—２．５¨ｍ波段的吸收率，根据光谱特性的定义，
有［２］
厂吾
，２．５
Ｑ。＝业—丛堕百—ｉ＿—————————一（１）
ｒ／
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／
／．玩（入）ｃｏｓ口８ｉｎ口ｄＡｄ目
Ｉ，０
．，Ｏ．２
式中，玩（入）为太阳辐射能量随波长的分布关系。Ｒ（入，ｐ）为热致变色材料表面反射率，当一维微
结构置于热致变色材料表面后，太阳辐射吸收率完
全取决于一维微结构表面的反射光谱特性Ｒ（入，ｐ）。
热致变色材料的发射率特性定义有【２］
￡日口）＝
坦』螳ｒｊ————————一（２）／！羞一１一Ｒ（Ａ，臼）］如（Ａ，Ｔ）ｃ。瓶ｉｎ眺硼
Ｈ
ｆ三ｆ８０昂（＂）咖觚ｎ眺瑚
这里昂（Ａ，Ｔ）是黑体温度为Ｔ时的光谱辐射能量分布，其服从普朗克定律。
３微结构设计与计算分析
采用遗传算法【５］优化设计得到满足目标要求的
万方数据
一维微结构，共计１２层，其总厚度为４．２６¨ｍ，介质包括：Ｇｅ、ｚｎｓ、ｚｎｓｅ和ＭｇＦ２。基于电磁波理论【６］＇计算了优化结构的光谱特性，如图２所示，给出了垂直入射的平均反射特性，可以看出，ｏ．２５—２．５¨ｍ波段为反射波段，平均反射率达到了８８．７％，ｏ．８—２．５
“ｍ波段内的平均反射率达到了９６％。７—２０¨ｍ波段
为低反射高透射波段，平均透射率达到了９５％，在大于２０¨ｍ的波段内，平均透射率为６１％，同时，该
波段内存在宽度很窄两个反射带。
允／ｕｍ
图２一维微结构反射特性
Ｆｉｇ．２
Ｒｅｎｅｃｔｉｖｅ
ｐｒｏｐｅｒｔｙ
ｏｆｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
３．１太阳吸收控制
图３给出了加覆一维微结构后热致变色材料表
的太阳辐射吸收率，一维微结构可将热致变色材料ｐｍ波段的辐射能量之和占到全波段辐射
围内反射率较低的主要原因是介质材料在该波段的
Ａ／ｕｍ
图３太阳吸收控制
Ｆｉｇ．３
Ｓｏｌａｒａｂ８０ｒｐｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅｒｍｍ
ｃｈｒｏｍａｔｉｃｍａ七ｅｒｉａｌ
面的反射率［２］。根据式（１）计算了热致变色材料太阳吸收率降至ｏ．１５。深入研究发现，太阳辐射在
ｏ．２５一ｏ．９
能量总量的６８．１％，而一维微结构在该波段的平均反射率仅为７３．１％。一维微结构在ｏ．２５一ｏ．９¨ｍ波段范存在较大的吸收，各介质层之间的干涉无法完全抑
制介质层的吸收。另外，一维微结构在ｏ．９—２．５¨ｍ波段的反射率已接近于１，该波段反射率提高空间
７期刘广平等：热致变色材料的吸收控制研究
非常有限。所以，即使进一步增加一维微结构介质层数，也很难进一步降低热致变色材料太阳辐射吸
收率。
３．２发射率控制
根据式（２）计算了一维微结构的发射率控制特性，如图４所示，给出了发射率随应用温度的变化特性。看出，将一维微结构置于热致变色材料表面后，其发射率随温度变化的差值仍然达到ｏ．４，即表明一维微结构在大幅度降低太阳辐射吸收率的情况下，可保持热致变色材料的发射率敏感变化特性。将图４与文献ｆ２１中热致变色材料自身发射率特性进了比较。比较表明，一维微结构整体上提高了各个温度点对应的发射率值，增加了ｏ．２左右。
７１／Ｋ
图４热致变色材料发射率变化特性
Ｆｉｇ．４
Ｅｍｉ８ｓｉｖｉｔｙ、，ａｒｉａｔｉｏｎ
ｏｆ
ｔｈｅｒｍｏｃｈｒｏｍａｔｉｃｍａｔｅｒｉａｌ
以上研究结果表明，一维微结构并未增大热致变色材料发射率变化差值。提高发射率差值的方法在于，在大于５¨ｍ的波段内，降低一维微结构在短波区域的反射率，提高其在长波区域的整体反射率。为了进一步提高一维微结构在长波波段的反射率，保持一维微结构ｏ．２５—２．５¨ｍ波段反射特性不变，改变长波优化目标值，对一维微结构进行了更进一步的优化设计，结果表明，改变优化目标值不能有效地提高和改进热致变色材料发射率变化特性。引起以上结果的根本原因在于一维微结构在ｏ．２５—２．５¨ｍ波段内具有高反射特性，同时在５—２０¨ｍ波段具有高透射特性，则一维微结构具有与这两个波段
相对应的结构尺度，该结构尺度不适用于波长更长
波段的光谱控制，所以，一维微结构在大于２０¨ｍ波段的光谱特性是各介质层自身光谱特性的体现，而
万方数据
非各介质层与热辐射相互作用的结果。
４结论
针对（Ｌａｌ一。ｓｋ）Ｍｎ０３型热致变色材料在太阳
辐射波段吸收较大的问题，将一维微结构用于降低
其对太阳辐射的吸收。根据太阳辐射及热致变色材料的应用温度，分析了一维微结构光谱特性与热致变色材料的匹配性，确定了一维微结构的光谱特性及其带宽。采用遗传算法优化设计一维微结构，并计算了优化结构的光谱特性，该优化结构在ｏ．２５—２．５“ｍ具有高反射特性，平均反射率为８８．７％，大于７¨ｍ波段内具有高透射特性，其中，７—２０¨ｍ波段为
低反射高透射波段，平均透射率达到了９５％，在大于２０¨ｍ的波段内，平均透射率为６１％。将优化一
维微结构用于降低热致变色材料对太阳辐的射的吸收，可有效抑制其对太阳辐射的强烈吸收，在太阳
辐射波段的吸收率可被降至ｏ．１５，同时可保持热致变色材料的发射率变化特性。参考文献
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Ｗ宅ｎ—Ｘｕｎ．ＸＩＥ
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ＭｅｔｈｏｄｏｆＭｏｄｅｒｎ
ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＣ“ｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｂｅｉｎｊｉｎｇ：ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
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热致变色材料的吸收控制研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：
刘广平， 宣益民， 李强， 韩玉阁
南京理工大学动力工程学院,江苏,南京,210094工程热物理学报
JOURNAL OF ENGINEERING THERMOPHYSICS2009，30(7)0次
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gcrwlxb200907037.aspx
下载时间：2009年11月13日