暴露在晴朗夜空下的物体,通常可以达到比环境温度低几度的平衡温度, 这种现象称为自然辐射冷却。地球周围的大气层对可见光是透明的,对绝大部分波段的红外辐射是不透过的，只在8~ 13μm波段透过红外辐射,此波段称为“大气窗口”, 地球表面物 体的热能就是以红外辐射的方式,穿过此“大气窗口” 散发到接近绝对零度的大气外层空间。但是在晴朗 的白天,要想获得较好的辐射冷却效果, 就必须隔绝 周围环境对该物体的传热,首要解决的问题是避免太 阳光中的可见光辐射到该物体上。介绍一种能 阻挡可见光和近红外辐射透过，又允许8~ 13μm的 红外辐射透过的光谱选择性透过薄膜的制备及其光 学性能的测试分析研究。
为了进一步研制开发具有前述特殊功能的薄膜材料,对二氧化钛进行了多种无机材料的掺杂,并利用光学仪器测试这些掺杂某些无机材料制成的二氧化钛薄膜的光学性能。
薄膜的制备方法：
(1)将一定量的无机材料（主要有碳黑或硫化 锌等)研磨成精细的粉末（直径小于0. 1μm)，然后倒 入 0.5mol 无水乙醇中, 用玻棒搅拌, 制成悬浮液。
(2)在电磁搅拌器作用下，将上述悬浮液缓慢 地滴入0. 25ml钛酸四丁脂中，使他们充分混合均匀。
(3)在另一个饶杯中配制由1mol无水乙醇，0. 25mol水及0. 02mol盐酸组成的混合溶液。
(4)在电磁搅拌器作用下，将上述步骤(3)配制好的混合溶液缓慢的滴入步骤(2)配制好的混合溶 液 中,便可得到均匀半透明的溶胶, 在一定的温度和湿 度下进行水解缩合。
(5)将上述水解缩合后的溶胶缓慢滴到己酸洗干净的石英玻璃和锗晶玻片上,并用刷子轻轻地涂刷 均匀(过多的溶胶可以轻刮到载玻片外), 使溶胶自然在玻片上形成厚度均匀的涂膜(10~ 15min)然后移送 到马弗炉中加热处理温度控制在480°C,为了增加 薄膜的厚度,可每隔10min把样品膜拿出来，自然风 冷到50℃以下。再涂刷一层溶胶，在室温环境下放 置5min左右，再把样品送入马弗炉加热处理10min ；重复上述两个步骤可以得到多层涂层薄膜,当厚度达 到设想要求后,即完成涂膜成型工艺。 这时再把样品 在马弗炉进行升温加热处理, 温度升高速度控制在 5C/min以下，当温度达到550 摄氏度时,控制马弗炉中的温度恒定在此温度,再加热处理样品膜100min用于自然辐射冷却的光谱选择性透过薄膜材料就制成了。
样品薄膜的光谱性能测试
某些无 机材料如二氧化钛( 锐 钛型) 碳黑，硫化锌在8~ 13. 5μm波段几乎是透明的，因此，从理论上分析:用上述方法制备出来的掺杂二氧化钛薄膜材料，在8~ 13. 5μm波段内透过率也应该是比较高的。在制备该薄膜时选用石英玻璃和锗晶载玻片作载体,主要是他们分别在可见光—近红外波段和红外波段的透过率较高,便于应用光学仪器测试薄膜的光谱透过率;实际测试结果表明:上述方法制成的掺杂二氧化钛薄膜的红外透过率还与掺杂浓度和膜的厚度有直接关系, 其中,掺杂浓度是主要因素也是我们实验研究的重点,薄膜的厚度超过0. 5μm后，其红外透过 率就急骤下降因此，我们把0.5μm定为红外透过的极限厚度,此后工作主要是通过多次实验制备出不同掺杂浓度的样品薄膜,逐步摸索出掺杂浓度控制在2%以下,才能制备出比较完整的薄膜材料,否则制备出的薄膜有不规则的裂纹和表面过于粗糙。
事实上, 要精确解决掺杂浓度与其光学性能的关系,靠数学模 型的建立和计算机模拟是不可靠的, 我们试用建立数学模型并进行试算, 希望计算结果 能给我们的实验提供理论依据和浓度参考数值, 结果 与实际相差很远,对我们的实验毫无指导价值, 只能 通过反复实验,逐步调整掺杂无机材料的浓度, 最后 确定碳黑的掺杂浓度为0. 10%~ 0. 15%制备出来 的掺杂二氧化钛薄膜基本符合我们的设想和要求, 其 在可见一近红外的透过率低于15%;在8~ 12μm波段的平均透过率超80%，在2~6μm波段的平均透过 率为45%左右,在厚度为0. 15 ~0.4μm范围内,他们 的数值随厚度有很小的变化。图1 和图2的实线分别为掺杂碳黑的二氧化钛薄膜样品在可见—近红外 波段的和红外波段的典型实测光谱透过率曲线图(掺 杂为浓度0. 15%,厚度为0. 3μm)。另外，硫化锌的 掺杂浓度控制在0. 10% ~0. 20%时，制备出的掺杂 二氧化钛薄膜,在可见—近红外波段的平均透过率在 30%左右,为了便于与掺杂碳黑的二氧化钛比较,其 典型的光谱透过率用虚线也绘于图1 中(浓度为 0. 15%,厚度为0. 3μm);而其在红外波段的平均透过率 与掺杂碳黑的二氧化钛薄膜的透过率相差非常小, 可以用图2的曲线来表示。
从图1 和图2来分析,在相同厚度情况下,掺杂碳黑和硫化锌的二氧化钛陶瓷薄膜的红外波段的透 过率基本相同,但是, 前者在可见—近红外波段的透过率比后者低得多, 作为“风屏”覆盖材料,在晴朗的 白天,有太阳直射的情况下, 掺杂碳黑的二氧化钛薄膜材料的遮挡太阳光的能力比掺杂硫化锌的二氧化 钛薄膜强,因此, 前者的自然辐射冷却应用效果也理 应比后者好。
国外研制出一种掺杂硫化锌 的光谱选择性透过的塑料薄片，在8~ 13μm的透过 率很高,在可见光波段内却具有相当高的反射率, 它 同样可以用作自然辐射冷却的“风屏”覆盖材料。其 提高可见光反射率的机理是散射光学理论:即可见光 照射到直径与其波长相当的颜料微粒时,可以增强光 的散射效果 , 由于添加颜料的塑料薄片或漆 膜 固化后, 其表面平整度仍由颜料微粒的直径确定, 其 强化散射效果得到提高 ,也就是提高其总的反射率。 用溶胶-凝胶法制备掺杂二氧化钛陶瓷薄膜的过程 中,凝胶在马弗炉中被加热处理, 有机成分和水分会 分解及蒸发掉,成膜后的表面并非象镜面那样光滑平 整,而是有很多肉眼无法看到的小气孔和缺陷,但他 们的尺寸往往大于可见光的波长较多,这样就不会达 到强化散射的效果, 从这个角度分析,可见光的透过 率并不是决定其作为“风屏”材料阻挡太阳光性能优 劣的主要条件,还应参考其半球总反射率的数值。遗 憾的是我们没有合适的仪器测试掺杂二氧化钛膜表 面的半球总反射率,无法判断该二氧化钛薄膜与塑料薄片在可见光波段内综合性能的优劣 。
用溶胶-凝胶法制备掺杂的二氧化钛薄膜,其力学性能与玻璃相差不多,具有较高的硬度和良好的抗摩擦性，其克氏硬度值为800 ~ 2200kp/ mm²,在化学性能方面 , 对绝大多数有机溶剂和酸 、碱 、盐均呈化 学 惰性, 在室外暴晒环境, 其物理光学性能保持不变。 从上述几个方面来分析比较 , 可以知道该 掺杂二氧化 钛薄膜的综合性能优于同样 用 于辐射冷却的塑料薄片和涂料的性能。
通过溶胶-凝胶法可以制备出掺杂某些无机材料 的二氧化钛薄膜材料, 它具有良好的光谱 选择透过性能:在8 ~ 12μm波段内具有很高的透过率，允许地球表面的物体发射出的绝大部分红外辐射透过该薄膜 材料 , 散发到绝对温度近似零度的 大气外层空 间;在 可见—近红外波段,其透过率低于 15%,具有良好的 遮挡太阳光的作用, 它可以用作自然辐射冷却的“风 屏”材料。 2100433B
