電致變色薄膜器件在空間中的應用前景
電致變色薄膜器件的光學(xué)性質(zhì)可以隨外加電場(chǎng)而發(fā)生可逆的變化，利用這種性質(zhì)，電致變色薄膜器件可以廣泛應用于建筑、汽車(chē)、航天等領(lǐng)域，在節能、熱控等方面發(fā)揮作用。本文針對電致變色薄膜器件在空間飛行器上的應用方向，綜述了電致變色薄膜器件的研究現狀，分析了該器件在空間飛行器主動(dòng)熱控以及空間太陽(yáng)帆姿態(tài)控制等方面的應用前景。
電致變色(Electrochromism) 是指在外加電場(chǎng)的作用下，材料的價(jià)態(tài)、化學(xué)組分發(fā)生可逆變化的現象，具有電致變色特性的材料在外加電壓作用下，由于電子或離子的注入、抽出，導致材料結構和光學(xué)、熱學(xué)性能發(fā)生變化。20 世紀60 年代，Platt 在研究有機染料時(shí)首次發(fā)現了電致變色現象，自此，電致變色現象引起了人們廣泛的關(guān)注。1969 年S.K.Deb在蒸鍍的無(wú)定形WO3 薄膜兩側制作Au 電極，在外加電場(chǎng)的情況下，觀(guān)察到了電致變色現象，并提出了著(zhù)名的氧空位色心機理。隨后，Deb 又發(fā)現了MoO3 的電致變色特性。1973 年，Schoot 等合成了有機電致變色材料，使有機電致變色材料的研究成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。1978 年Brauntein 等發(fā)現了堿鎢硼酸鹽系玻璃的電致變色現象，從而在材料科學(xué)中開(kāi)拓出一個(gè)新的領(lǐng)域。而80 年代，C. M. Lampert提出的基于電致變色材料的智能窗( Smart Windows) 則被認為是電致變色研究的另一個(gè)里程碑。1995 年，C. G. Granqvist編寫(xiě)了無(wú)機電致變色材料手冊(Handbook of Inorganic Electrochromic Materials)，對無(wú)機變色材料的研究情況進(jìn)行了整理與總結。
由于電致變色材料具有在電場(chǎng)作用下改變顏色的特性，該類(lèi)材料在信息顯示、太陽(yáng)光控制、可控反射鏡方面有著(zhù)廣闊的應用前景，可以制備成變色玻璃窗、大面積屏幕、防炫鏡、靈巧窗等薄膜器件。而在空間飛行器上，電致變色材料同樣可以發(fā)揮其技術(shù)特性的優(yōu)勢，采用電致變色材料可以制備成發(fā)射率或反射率可節型器件，因此在主動(dòng)熱控以及空間太陽(yáng)帆姿態(tài)控制等方面的具有很好的應用前景。
1、電致變色薄膜
由于電致變色的塊體材料需要相對較高的電壓才能出現變色特性，而同時(shí)隨著(zhù)磁控濺射、真空蒸發(fā)、溶膠凝膠等技術(shù)的發(fā)展，因此，電致變色薄膜逐漸成為研究的重點(diǎn)。從電致變色薄膜所用的材料來(lái)看，可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是有機電致變色材料，通過(guò)控制材料內部電子的得失發(fā)生氧化還原反應，從而使材料發(fā)生著(zhù)色和褪色的可逆變化。另一類(lèi)是無(wú)機電致變色材料，由于離子在材料中的注入和抽出而造成材料價(jià)態(tài)或晶體結構發(fā)生改變，從而發(fā)生著(zhù)色和褪色的可逆變化。有機電致變色薄膜中具有代表性的有導電聚合物、金屬酞花青、紫羅精、聚合金屬絡(luò )合物等。無(wú)機電致變色薄膜多過(guò)渡族金屬氧化物或其衍生物，這是由于過(guò)渡金屬氧化物中金屬離子的電子價(jià)帶結構不穩定，在一定條件下價(jià)態(tài)發(fā)生可逆轉變或形成混合價(jià)態(tài)，隨著(zhù)離子價(jià)態(tài)和濃度的變化，薄膜的顏色也發(fā)生相應的變化，常見(jiàn)的無(wú)機電致變色材料有WO3、MoO3、TiO2、V2O5、Nb2O5、CeO2、NiO、IrO2、Rh2O3、Co2O3、MnO2 等。
為了滿(mǎn)足空間應用等條件的要求，研究人員一直在努力研制全固態(tài)的電致變色薄膜器件，這類(lèi)薄膜器件通常由多層薄膜組成，通常其結構如圖1 所示。當兩電極之間加上電壓時(shí)，隨著(zhù)電壓在一定范圍內變化，離子儲存層的離子穿過(guò)離子導體層，進(jìn)人到電致變色層，使電致變色層逐步著(zhù)色; 當需要電致變色層退色時(shí)，加反向電壓，隨著(zhù)電壓在一定圍內變化，電致變色層逐步恢復到漂白態(tài)。為適應空間輻照的要求，通常選用全無(wú)機電致變色材料，當然，在滿(mǎn)足使用環(huán)境要求的情況下，為了提高變色效率，也可以采用有機無(wú)機相結合的方式。
圖1 電致變色薄膜器件的結構示意圖
電致變色薄膜的制備方法通常有濺射法、蒸發(fā)法、溶膠凝膠法、脈沖激光法、化學(xué)氣相沉積等，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中濺射法因沉積面積大、低溫制備等優(yōu)點(diǎn)受到較多的研究。
總結
綜上所述，電致變色薄膜器件由于其技術(shù)優(yōu)勢，在空間飛行器熱控及薄膜航天器姿軌控制方面具有良好的應用前景。在工程化的應用方面，還需要對變色響應時(shí)間、變化次數等方面進(jìn)行優(yōu)化，以適應應用的需求。
