纳米半导体隔热涂料最新研究进展

纳米半导体隔热涂料中起隔热作用的主要是纳米半导体粉体，涂膜对热辐射的阻隔作用是吸收和反射共同作用的结果｡吸收和反射作用所占比例会因半导体材料自身性质的差异而有所不同，此外材料的粒径也与其性能相关｡对单个纳米粒子来说，粒径越大，横截面越大，纳米粒子通过吸收和反射作用能够遮断阳光的面积就越大｡但对涂料整体来说，其内部纳米半导体粉体的总遮断面积(A)越大，理论上隔热效果越好｡A可用式(1)表示｡

式中：A—总遮断面积，cm2;m—纳米粉体总质量，g;r—粒径，cm;ρ—密度，g/cm3｡

由式(1)可见，纳米半导体的粒径越小，总遮断面积就越大｡但是粒子粒径太小时，粒子的电子密度的变化等会使其对阳光的屏蔽功能降低，因此所制备的纳米半导体粒子需具有合适的粒径｡由以上分析可知，纳米半导体粒子的隔热效果是半导体本身的物理结构与微粒粒径共同作用的结果｡

在众多纳米半导体粒子中，纳米氧化铟锡(ITO)和氧化锡锑(ATO)是最早应用于纳米隔热涂料中的金属氧化物｡ITO与ATO薄膜的载流子浓度为1020个/cm3，可见光透过率达到80%～90%，红外反射率为75%～80%，其中载流子浓度增加，红外发射率也会随之增加｡黄旭珊等对ITO纳米隔热涂料进行的光学检测显示，添加了纳米ITO粒子的隔热涂料对红外线的阻隔主要集中在1200～1500nm的波段，这个区域的红外阻隔可达到95%，隔热检测表明当ITO纳米粒子的含量达到涂料质量的1.5%时，涂料的隔热效果最好，红外灯照射下5min的隔热对比显示，涂覆纳米隔热涂料的玻璃比空白玻璃的温度低40℃左右｡孙国亮等在研究锑(Sb)含量对ATO隔热涂料的影响时发现，Sb在涂料中有2种存在状态，Sb3 与Sb5 ｡Sb含量较低时，Sb5 占主导地位，此时载流子数少，红外阻隔率低;随着Sb含量增加，载流子数增多，红外阻隔率上升;Sb含量达到6%时，红外阻隔率最高，超过6%以后，红外阻隔率下降｡分析其原因主要有2个：一是由于高含量Sb导致二氧化锡的晶格畸变，电子散射变大，降低了载流子的迁移率;二是由于Sb的增加，Sb3 逐渐增多，Sb3 就像一个电子陷阱，消除了Sb5 产生的电子，使载流子浓度下降，因而红外阻隔率也下降｡此外，Mei等对ATO/环氧树脂隔热涂料中ATO的含量进行了研究，结果显示随着ATO含量增加，隔热效果增加，而ATO的最适含量为涂料总质量的2%｡

近年来，随着新材料的不断开发，人们一直在寻找新型的纳米粒子以替代原有ITO和ATO｡Li等尝试将掺杂了Al的纳米ZnO加入隔热涂料中，ZnO本身也是一种半导体材料，加入Al的ZnO载流子浓度明显增加，导电性与红外阻隔性也随之增加｡研究显示添加了0.5%的ZnO(其中掺入Al的摩尔分数为6%)的隔热涂料，红外阻隔性最好，达到80%以上｡Zhao等将镓(Ga)掺入ZnO中制成了GZO薄膜，结果显示当Ga的掺量为4.9%时，这种薄膜对红外光反射率可达到70%，透过率小于1%，而此时的可见光透过率依然保持在90%以上，可见GZO涂料是一种理想的玻璃用隔热涂料｡除了ZnO掺杂物外，陈中华等将纳米氧化锆加入隔热涂料，并对涂膜的微结构进行了研究，结果表明涂膜对红外线有良好的阻隔效果，纳米粒子紧密填充涂层间的空隙，形成了完整的空气隔热层，大大提高了涂层的隔热性能｡Wang等将稀土元素钇与氧化锑混合制备了钇-氧化锑纳米粉，进而制备出钇-氧化锑纳米隔热涂料，光学检测显示这种涂料在450~1600nm范围内的反射率超过90%，1600~2200nm范围内的反射率超过80%，比ZnO､ITO薄膜的反射率更高｡

纳米半导体粉体的应用使得隔热涂料在隔热机理上发生了巨大改变，但是纳米粉体的比表面积大､表面能高，纳米颗粒间极易通过界面相互作用而产生团聚，因此纳米粒子在涂料中的分散性问题一直是涂料研究的难点之一，要推进半导体型纳米隔热涂料的市场化就必须加强对纳米粒子分散体系的研究｡