电致变色薄膜器件在空间中的应用前景

2013-09-27 王洁冰兰州空间技术物理研究所

　　电致变色薄膜器件的光学性质可以随外加电场而发生可逆的变化，利用这种性质，电致变色薄膜器件可以广泛应用于建筑、汽车、航天等领域，在节能、热控等方面发挥作用。本文针对电致变色薄膜器件在空间飞行器上的应用方向，综述了电致变色薄膜器件的研究现状，分析了该器件在空间飞行器主动热控以及空间太阳帆姿态控制等方面的应用前景。

　　电致变色(Electrochromism) 是指在外加电场的作用下，材料的价态、化学组分发生可逆变化的现象，具有电致变色特性的材料在外加电压作用下，由于电子或离子的注入、抽出，导致材料结构和光学、热学性能发生变化。20 世纪60 年代，Platt 在研究有机染料时首次发现了电致变色现象，自此，电致变色现象引起了人们广泛的关注。1969 年S.K.Deb在蒸镀的无定形WO3 薄膜两侧制作Au 电极，在外加电场的情况下，观察到了电致变色现象，并提出了著名的氧空位色心机理。随后，Deb 又发现了MoO3 的电致变色特性。1973 年，Schoot 等合成了有机电致变色材料，使有机电致变色材料的研究成为一个重要的研究领域。1978 年Brauntein 等发现了碱钨硼酸盐系玻璃的电致变色现象，从而在材料科学中开拓出一个新的领域。而80 年代，C. M. Lampert提出的基于电致变色材料的智能窗( Smart Windows) 则被认为是电致变色研究的另一个里程碑。1995 年，C. G. Granqvist编写了无机电致变色材料手册(Handbook of Inorganic Electrochromic Materials)，对无机变色材料的研究情况进行了整理与总结。

　　由于电致变色材料具有在电场作用下改变颜色的特性，该类材料在信息显示、太阳光控制、可控反射镜方面有着广阔的应用前景，可以制备成变色玻璃窗、大面积屏幕、防炫镜、灵巧窗等薄膜器件。而在空间飞行器上，电致变色材料同样可以发挥其技术特性的优势，采用电致变色材料可以制备成发射率或反射率可节型器件，因此在主动热控以及空间太阳帆姿态控制等方面的具有很好的应用前景。

1、电致变色薄膜

　　由于电致变色的块体材料需要相对较高的电压才能出现变色特性，而同时随着磁控溅射、真空蒸发、溶胶凝胶等技术的发展，因此，电致变色薄膜逐渐成为研究的重点。从电致变色薄膜所用的材料来看，可以分为两大类，一类是有机电致变色材料，通过控制材料内部电子的得失发生氧化还原反应，从而使材料发生着色和褪色的可逆变化。另一类是无机电致变色材料，由于离子在材料中的注入和抽出而造成材料价态或晶体结构发生改变，从而发生着色和褪色的可逆变化。有机电致变色薄膜中具有代表性的有导电聚合物、金属酞花青、紫罗精、聚合金属络合物等。无机电致变色薄膜多过渡族金属氧化物或其衍生物，这是由于过渡金属氧化物中金属离子的电子价带结构不稳定，在一定条件下价态发生可逆转变或形成混合价态，随着离子价态和浓度的变化，薄膜的颜色也发生相应的变化，常见的无机电致变色材料有WO3、MoO3、TiO2、V2O5、Nb2O5、CeO2、NiO、IrO2、Rh2O3、Co2O3、MnO2 等。

　　为了满足空间应用等条件的要求，研究人员一直在努力研制全固态的电致变色薄膜器件，这类薄膜器件通常由多层薄膜组成，通常其结构如图1 所示。当两电极之间加上电压时，随着电压在一定范围内变化，离子储存层的离子穿过离子导体层，进人到电致变色层，使电致变色层逐步着色; 当需要电致变色层退色时，加反向电压，随着电压在一定围内变化，电致变色层逐步恢复到漂白态。为适应空间辐照的要求，通常选用全无机电致变色材料，当然，在满足使用环境要求的情况下，为了提高变色效率，也可以采用有机无机相结合的方式。

电致变色薄膜器件的结构示意图