本發(fā)明涉及降溫薄膜，尤其涉及一種基于tamm結(jié)構(gòu)耦合諧振腔的彩色降溫薄膜及制備方法。
背景技術(shù)：
1、在全球能源需求持續(xù)攀升與極端高溫天氣頻發(fā)的雙重驅(qū)動(dòng)下，降低各類載體（如建筑外墻、交通工具表面、電子設(shè)備外殼等）對(duì)太陽(yáng)輻射熱量的吸收，已成為緩解能源消耗與熱管理壓力的關(guān)鍵方向。傳統(tǒng)降溫手段高度依賴主動(dòng)制冷技術(shù)，例如汽車領(lǐng)域廣泛使用的空調(diào)系統(tǒng)、電子設(shè)備常用的風(fēng)冷/液冷裝置，這類技術(shù)需持續(xù)消耗電能或其他能源以實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移，不僅推高了運(yùn)營(yíng)成本，還加劇了能源供需矛盾。
2、太陽(yáng)輻射中，對(duì)物體升溫起主導(dǎo)作用的波段集中在可見光（400-800nm）與近紅外波段（800-2500nm），這兩個(gè)波段的能量占太陽(yáng)總輻射能量的90%以上。理想的降溫薄膜需同時(shí)滿足在這兩個(gè)波段具備高反射率，最大限度減少熱量吸收；同時(shí)，為適應(yīng)建筑裝飾、交通工具外觀設(shè)計(jì)、消費(fèi)電子外殼等場(chǎng)景對(duì)美學(xué)的需求，薄膜還需具備豐富且穩(wěn)定的色彩表現(xiàn)。然而，當(dāng)前市場(chǎng)上的降溫薄膜產(chǎn)品與相關(guān)研究成果，普遍難以兼顧“高效降溫”與“彩色顯色”的雙重需求，核心矛盾集中在材料設(shè)計(jì)與性能平衡上。
3、目前，基于傳統(tǒng)顏料著色的降溫薄膜，雖能通過有機(jī)或無(wú)機(jī)顏料實(shí)現(xiàn)多樣色彩，但顏料分子或顆粒會(huì)選擇性吸收可見光波段的特定波長(zhǎng)光線（這是其呈現(xiàn)色彩的核心原理），導(dǎo)致薄膜對(duì)可見光的反射率大幅下降，同時(shí)部分顏料對(duì)近紅外波段也存在一定吸收，進(jìn)一步加劇熱量積聚。
4、基于結(jié)構(gòu)色的降溫薄膜（如納米光柵、光子晶體結(jié)構(gòu)），通過調(diào)控材料微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)干涉效應(yīng)實(shí)現(xiàn)色彩，避免了顏料吸收帶來(lái)的熱損失。其中，基于光子禁帶效應(yīng)的光子晶體薄膜可通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可見光波段的選擇性反射（結(jié)構(gòu)色）與近紅外反射。但單一周期結(jié)構(gòu)的光子晶體存在固有限制：若側(cè)重可見光色彩調(diào)控，其禁帶寬度通常小于100nm，無(wú)法覆蓋全近紅外波段；若拓寬禁帶以增強(qiáng)近紅外反射，則會(huì)導(dǎo)致可見光波段反射峰過寬，色彩純度下降。
5、近年來(lái)，顏色領(lǐng)域研究者們提出了許多優(yōu)秀的設(shè)計(jì)和制備方案，其中，包括（hl）n高低折射率重復(fù)周期結(jié)構(gòu)、微納多孔結(jié)構(gòu)以及有機(jī)涂料等。如公開號(hào)為cn116540331a的中國(guó)發(fā)明設(shè)計(jì)了一種高、低折射率材料堆疊的薄膜結(jié)構(gòu)色結(jié)構(gòu)，使用全介質(zhì)材料進(jìn)行反射型結(jié)構(gòu)色的設(shè)計(jì)，其膜層數(shù)和高低折射率比值決定了反射率和反射帶寬。公開號(hào)為cn114369408a的中國(guó)發(fā)明設(shè)計(jì)了一種由改性有機(jī)硅樹脂、含羥基樹脂與有機(jī)溶劑、固化劑組成的有機(jī)涂料，可應(yīng)用于光伏、建筑等應(yīng)用場(chǎng)景。然而，同時(shí)兼具近紅外反射、高亮度、高純度和寬色域的層狀降溫薄膜仍具有一定挑戰(zhàn)。
6、同時(shí)，在降溫薄膜的研究與開發(fā)中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。人們致力于研究如何在不犧牲美學(xué)效果的同時(shí)實(shí)現(xiàn)近紅外反射制冷，其要求在可見光波段、太陽(yáng)光譜波段同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波段調(diào)控。如公開號(hào)為cn112679223a的中國(guó)發(fā)明設(shè)計(jì)了一種三維多孔納米復(fù)合降溫薄膜，該薄膜具有向外太空輻射紅外熱量的效果，可降低物體表面溫度，該設(shè)備無(wú)需外部電力設(shè)備，在有/無(wú)太陽(yáng)光照射的情況下都能實(shí)現(xiàn)降溫效果。公開號(hào)為cn118165355a的中國(guó)發(fā)明提出一種具有表面序構(gòu)陣列和內(nèi)部多孔的被動(dòng)降溫薄膜，通過相分離技術(shù)與模板熱壓法相結(jié)合的方式來(lái)制備具有雙光子結(jié)構(gòu)的被動(dòng)降溫薄膜。該降溫薄膜可以有效地反射大部分的太陽(yáng)輻射，并且薄膜在大氣窗口處具有優(yōu)異的紅外發(fā)射特性，產(chǎn)物在日間和夜間均能夠?qū)崿F(xiàn)很好的被動(dòng)降溫效果。但現(xiàn)有研究中的降溫薄膜的制備難度極大，技術(shù)多依賴復(fù)雜的物理化學(xué)方法或機(jī)械加工手段，如光刻技術(shù)。不僅工藝繁瑣、設(shè)備昂貴，還難以保證結(jié)構(gòu)的尺寸精度、穩(wěn)定性與一致性，成品率和生產(chǎn)效率偏低，大規(guī)模標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)面臨諸多阻礙。同時(shí)，大部分薄膜的顏色效果并不理想，受均勻性修正部件異常、膜料蒸發(fā)狀態(tài)不一致、基片形態(tài)差異及加工污染等因素影響，易出現(xiàn)整罩或單片膜色不均的問題，光學(xué)表現(xiàn)欠佳。在降溫效果方面，多數(shù)薄膜難以精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)光譜選擇性管理，對(duì)近紅外波段太陽(yáng)光反射率不足，且受材料性能、環(huán)境干擾及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷等影響，冷卻效能受限，難以達(dá)到理想的被動(dòng)降溫效果。
7、傳統(tǒng)方案的問題概括如下：
8、1、色彩純度存在一定的局限性：傳統(tǒng)tamm結(jié)構(gòu)是一種基于tamm共振現(xiàn)象的光學(xué)結(jié)構(gòu)，它通過金屬層和dbr之間的相互作用產(chǎn)生獨(dú)特的光譜特性。結(jié)構(gòu)受dbr寬反射帶寬影響，共振峰半高寬較大，易混入雜色光導(dǎo)致顏色偏差，色純度較低。
9、2、亮度存在一定的局限性：傳統(tǒng)僅含少數(shù)dbr的tamm結(jié)構(gòu)，因dbr反射率較低，共振峰反射率有限，顏色視覺效果暗淡。
10、3、傳統(tǒng)tamm結(jié)構(gòu)的金屬層或dbr直接暴露于空氣，易受水汽、紫外線影響，長(zhǎng)期使用后反射率衰減明顯。傳統(tǒng)tamm結(jié)構(gòu)若需提升性能，需增加dbr周期數(shù)，但多層dbr制備需高精度鍍膜設(shè)備，成本高且效率低。
11、4、傳統(tǒng)彩色材料（如染料涂層）因近紅外吸收強(qiáng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)降溫；而傳統(tǒng)降溫材料（如白色涂層）又缺乏顏色多樣性。
12、為了實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)色的同時(shí)達(dá)到降溫的效果，有必要采用新的設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化方法，設(shè)計(jì)出具有降溫功能的高亮度高純度寬色域結(jié)構(gòu)色薄膜。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種基于tamm結(jié)構(gòu)耦合諧振腔的彩色降溫薄膜，在實(shí)現(xiàn)寬色域結(jié)構(gòu)色的同時(shí)實(shí)現(xiàn)降溫效果。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述的技術(shù)目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：
3、本發(fā)明提供了一種基于tamm結(jié)構(gòu)耦合諧振腔的彩色降溫薄膜，所述薄膜從下至上依次包括：襯底sub、第一介質(zhì)層d1、吸收層a、第二介質(zhì)層d2、相變層s、金屬層m以及第三介質(zhì)層d3；
4、其中，所述第一介質(zhì)層d1、吸收層a、第二介質(zhì)層d2、相變層s和金屬層m共同構(gòu)成tamm結(jié)構(gòu)，所述tamm結(jié)構(gòu)為金屬側(cè)tamm結(jié)構(gòu)；所述第三介質(zhì)層d3與金屬層m共同構(gòu)成諧振腔，所述諧振腔為高階諧振腔；
5、所述薄膜通過tamm結(jié)構(gòu)與諧振腔的協(xié)同耦合，在可見光波段實(shí)現(xiàn)窄帶高反射以呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)色，并在近紅外波段實(shí)現(xiàn)高反射以實(shí)現(xiàn)被動(dòng)降溫。進(jìn)一步的，所述吸收層a的厚度范圍為5?nm至400?nm；所述吸收層a的材料選自硒化鋅、三氧化鎢、三氧化二鐵、四氧化三鐵、氧化銦錫、氧化鈷、氧化鎳、硫化銅和硫化鉍中的至少一種。
6、進(jìn)一步的，所述相變層s的厚度范圍為5?nm至200?nm；所述相變層s的材料選自硅、鍺、gst、gsst、ss、gt、氧化釩和二氧化鈮中的至少一種。
7、進(jìn)一步的，所述金屬層m的厚度范圍為20?nm至60?nm；所述金屬層m的材料選自金、銀、鋁、鎢和鈦中的至少一種。
8、進(jìn)一步的，所述第一介質(zhì)層d1和第二介質(zhì)層d2的厚度各自獨(dú)立地為5?nm至400?nm，且兩者厚度相同或不同。
9、進(jìn)一步的，所述第三介質(zhì)層d3的厚度范圍為20?nm至1000?nm。
10、進(jìn)一步的，所述第一介質(zhì)層d1、第二介質(zhì)層d2和第三介質(zhì)層d3的材料選自氧化硅、氧化鈦、氧化鉭、氧化鉿、氧化鋯、氧化釔、氧化鋅、氧化鉻、氧化鎂、氧化鈰、硫化鋅、氟化鎂、氟化鋁、氟化鈰、氯化鑭、六氯合鋁酸鈉、氟化釹、氟化鋇、氟化鈣、氟化鋰、鈦酸鑭、硫化鋅和氮化硅中的至少一種。
11、進(jìn)一步的，所述襯底sub的材料選自玻璃、拋光不銹鋼、拋光鏡面鋁、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、三醋酸纖維素、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯/聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料、聚酰亞胺、聚丙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇縮丁醛、乙烯醋酸乙烯共聚物、聚氨酯彈性體、聚四氟乙烯、氟代乙基丙烯或者聚二氟乙烯。
12、進(jìn)一步的，所述諧振腔為基于金屬-介質(zhì)-空氣結(jié)構(gòu)的高階法布里-珀羅諧振腔，其諧振條件滿足以下公式：
13、
14、其中，n為所述第三介質(zhì)層d3的折射率，d為所述第三介質(zhì)層d3的厚度，λ為目標(biāo)顏色對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)，m為諧振階數(shù)。
15、本發(fā)明一種根據(jù)上述薄膜的制備方法，包括如下步驟：
16、步驟1、根據(jù)目標(biāo)顏色和降溫性能要求，確定薄膜結(jié)構(gòu)為sub/d1/a/d2/s/m/d3，其中：sub代表襯底，d1代表第一介質(zhì)層，a代表吸收層，d2代表第二介質(zhì)層，s代表相變層，m代表金屬層，d3代表第三介質(zhì)層；并計(jì)算所述薄膜結(jié)構(gòu)中每一層的材料種類和厚度參數(shù)；
17、步驟2、提供潔凈平整的襯底sub，并將其置于成膜設(shè)備的真空腔體中；
18、步驟3、采用物理氣相沉積或化學(xué)氣相沉積方式，依次在所述襯底sub上沉積第一介質(zhì)層d1、吸收層a、第二介質(zhì)層d2、相變層s、金屬層m和第三介質(zhì)層d3；
19、步驟4、在沉積所述相變層s和金屬層m過程中，通入惰性保護(hù)氣體以防止材料氧化；
20、步驟5、完成所有膜層沉積后，得到所述彩色降溫薄膜。
21、采用上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其具有的有益效果為：
22、1、色彩純度提高：本發(fā)明通過加入諧振腔實(shí)現(xiàn)高純度：諧振腔高階諧振對(duì)波長(zhǎng)偏移更敏感，反射次數(shù)多使得相位條件易破壞，配合介質(zhì)層均勻性優(yōu)化，可大幅壓縮共振峰半高寬，同時(shí)抑制旁瓣峰強(qiáng)度，避免雜色干擾；最終色純度顯著提升，接近標(biāo)準(zhǔn)純色，可滿足汽車外觀、高端電子產(chǎn)品等對(duì)色彩精度要求極高的場(chǎng)景，解決“顏色失真”問題。
23、2、亮度提高：本發(fā)明中，頂部諧振腔高階諧振通過多光束干涉形成強(qiáng)反饋，與金屬側(cè)tamm共振形成能量疊加：諧振腔高階諧振為tamm共振補(bǔ)充大量同相位光子，增加參與耦合的光子數(shù)量；同時(shí)tamm共振反射光二次耦合至諧振腔，進(jìn)一步放大光強(qiáng)；最終目標(biāo)顏色波段反射率大幅提升，在建筑幕墻、高端顯示等場(chǎng)景中，顏色視覺效果更鮮亮。
24、3、本發(fā)明的頂部諧振腔介質(zhì)層形成致密保護(hù)層，阻斷水汽、污染物與dbr的接觸；同時(shí)金屬層被介質(zhì)層包覆，減少氧化損耗。可適應(yīng)建筑戶外、汽車等復(fù)雜工況，大幅延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命。本發(fā)明僅采用少數(shù)dbr，配合諧振腔高階諧振（介質(zhì)層厚度易控制，精度要求在可實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)），無(wú)需復(fù)雜設(shè)備升級(jí)。現(xiàn)有熱蒸發(fā)鍍膜、卷對(duì)卷鍍膜、原子層沉積（ald）等常規(guī)設(shè)備均可滿足生產(chǎn)需求，大幅降低設(shè)備投入成本，同時(shí)提升制備效率。
25、4、本發(fā)明的復(fù)合結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)高亮度高純度顏色的同時(shí)，保留近紅外反射能力：諧振腔高階諧振的設(shè)計(jì)可延伸至近紅外波段，配合tamm結(jié)構(gòu)的金屬層反射，確保總近紅外反射率滿足降溫需求。在建筑場(chǎng)景中可有效降低室內(nèi)溫度，減少空調(diào)能耗；在汽車場(chǎng)景中，可降低車內(nèi)溫度，提升駕乘舒適度。且相變層的加入使得本發(fā)明結(jié)構(gòu)能夠在實(shí)現(xiàn)廣泛色域的基礎(chǔ)上擁有變色的效果，在防偽、隱身等方面具有廣泛應(yīng)用潛力。實(shí)現(xiàn)“色彩美學(xué)”、“動(dòng)態(tài)調(diào)控”與“被動(dòng)降溫”的一體化，解決行業(yè)“美學(xué)與節(jié)能不可兼得”的痛點(diǎn)。