納米半導體隔熱塗料最新研究進展

納米半導體隔熱塗料中起隔熱作用的隔熱紙主要是納米半導體粉體，塗膜對熱輻射的阻隔作用是吸收和反射共同作用的結果。吸收和反射作用所占比例會因半導體材料自身性質的差異而有所不同，此外材料的粒徑也與其性能相關。對單個納米粒子來說，粒徑越大，橫截面越大，納米粒子通過吸收和反射作用能夠遮斷陽光的面積就越大。但對塗料整體來說，其內部納米半導體粉體的總遮斷面積(A)越大，理論上隔熱效果越好。

納米半導體的粒徑越小，總遮斷面積就越大。但是粒子粒徑太小時，粒子的電子密度的變化等會使其對陽光的屏蔽功能降低，因此所制備的納米半導體粒子需具有合適的粒徑。由以上分析可知，納米半導體粒子的隔熱效果是半導體本身的物理結構與微粒粒徑共同作用的結果。

在眾多納米半導體粒子中，納米氧化銦錫(ITO)和氧化錫銻(ATO)是最早應用於納米隔熱塗料中的金屬氧化物。ITO與ATO薄膜的載流子濃度為1020個/cm3，可見光透過率達到80%～90%，紅外反射率為75%～80%，其中載流子濃度增加，紅外發射率也會隨之增加。黃旭珊等對ITO納米隔熱塗料進行的光學檢測顯示，添加了納米ITO粒子的隔熱塗料對紅外線的阻隔主要集中在1200～1500nm的波台中隔熱紙段，這個區域的紅外阻隔可達到95%，隔熱檢測表明當ITO納米粒子的含量達到塗料質量的1。5%時，塗料的隔熱效果最好，紅外燈照射下5min的隔熱對比顯示，塗覆納米隔熱塗汽車隔熱紙料的玻璃比空白玻璃的溫度低40℃左右。孫國亮等在研究銻(Sb)含量對ATO隔熱塗料的影響時發現，Sb在塗料中有2種存在狀態，Sb3+與Sb5+。Sb含量較低時，Sb5+占主導地位，此時載流子數少，紅外阻隔率低；隨著Sb含量增加，載流子數增多，紅外阻隔率上升；Sb含量達到6%時，紅外阻隔率最高，超過6%以後，紅外阻隔率下降。分析其原因主要有2個：一是由於高含量Sb導致二氧化錫的晶格畸變，電子散射變大，降低了載流子的遷移率；二是由於Sb的增加，Sb3+逐漸增多，Sb3+就像一個電子陷阱，消除了Sb5+產生的電子，使載流子濃度下降，因而紅外阻隔率也下降。此外，Mei等對ATO/環氧樹脂隔熱塗料中ATO的含量進行了研究，結果顯示隨著ATO含量增加，隔熱效果增加，而ATO的最適含量為塗料總質量的2%。

近年來，隨著新材料的不斷開發，人們一直在尋找新型的納米粒子以替代原有I大樓隔熱紙TO和ATO。Li等嘗試將摻雜了Al的納米ZnO加入隔熱塗料中，ZnO本身也是一種半導體材料，加入Al的ZnO載流子濃度明顯增加，導電性與紅外阻隔性也隨之增加。研究顯示添加了0。5%的ZnO(其中摻入Al的摩爾分數為6%)的隔熱塗料，紅外阻隔性最好，達到80%以上。Zhao等將鎵(Ga)摻入ZnO中制成了GZO薄膜，結果顯示當Ga的摻量為4。9%時，這種薄膜對紅外光反射率可達到70%，透過台中汽車隔熱紙率小於1%，而此時的可見光透過率依然保持在90%以上，可見GZO塗料是一種理想的玻璃用隔熱塗料。除了ZnO摻雜物外，陳中華等將納米氧化鋯加入隔熱塗料，並對塗膜的微結構進行了研究，結果表明塗膜對紅外線有良好的阻隔效果，納米粒子緊密填充塗層間的空隙，形成了完整的空氣隔熱層，大大提高了塗層的隔熱性能。Wang等將稀土元素釔與氧化銻混合制備了釔-氧化銻納米粉，進而制備出釔-氧化銻納米隔熱塗料，光學檢測顯示這種塗料在450~1600nm範圍內的反射率超過90%，1600~2200nm範圍內的反射率超過80%，比ZnO､ITO薄膜的反居家隔熱紙射率更高。

納米半導體粉體的應用使得隔熱塗料在隔熱機理上發生了巨大改變，但是納米粉體的比表面積大、表面能高，納米顆粒間極易通過界面相互作用而產生團聚，因此納米粒子在塗料中的分散性問題一直是塗料研究的難點之一，要推進半導體型納米隔熱塗料的市場化就必須加強對納米粒子分散體系的研究。