CB939900能领域纳米材料机敏特性的关键科学问题研究Word文档格式.docx
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研究服役条件下智能纳米结构复合材料微结构和性能的演变，提出微结构稳定性的控制方法，在此基础上优化材料、器件和系统的使用性能，提高节能系统长期服役的可靠性。
上述研究内容涵盖了智能节能纳米复合材料认知、智能节能系统设计与机敏特性控制三个层次涉及到的主要科学问题。
包括具有温控机敏特性的纳米材料微结构本质；
探索机敏纳米材料宏量制备的普适性方法；
开发新型智能节能复合材料体系；
发展温控智能调温节能系统；
智能节能材料结构相变、价态和能带与其光学特性、比热容、热传递等性能之间的内在关系本质；
解决智能节能纳米复合系统的稳定化及集成技术等众多关键问题。
本项目将综合运用材料科学、热物理学、凝聚态物理、化学和纳米技术的理论和方法，研究智能节能纳米材料系统的微结构、价态和能带变化与其温控机敏特性的内在本质关系及其表征与测试技术，最终探索其在智能节能领域（特别是建筑智能节能领域）的应用途径。
二、预期目标
总体目标：
本项目围绕“基于纳米结构，利用温控相变、通过控热调光、实现自主控温、达到智能节能”的主题，发展具有节能效应的机敏纳米复合体系的制备技术和表征方法，深入认识基于温控相变机制的智能控热、调光的新规律和新原理，丰富纳米热物理学、纳米热力学和纳米光电子学的科学内涵；
以温控机敏纳米复合体系为中心，设计和制作用于下一代智能节能的材料系统和原型器件，集成控热调光一体化的智能节能示范应用系统；
建立纳米热学性能的表征方法和纳米节能系统的评价方案，研究服役环境下机敏材料结构演变及稳定性的控制方法，为温控机敏纳米复合体系在下一代智能节能系统中的应用提供原理和技术支撑。
五年中预期达到的具体目标：
（1）掌握温控机敏特性纳米结构光、热效应优化的一般规律，发展机敏特性纳米材料及其复合结构的宏量可控制备技术，深入认识材料体系温控机敏特性对光、热性能的敏感机理及其控制方式。
（2）以智能储热－放热为导向，筛选并制作3～4种定形相变纳米材料和纳米结构，实现纳米结构热传递性能、比热容、热富集的测试。
通过与介孔结构的纳米复合、微纳复合技术，构筑热存储能力强、热释放过程可控的储热－放热纳米结构复合系统，包括基于纳米定形相变的紧凑式贮热－换热器研究和低粘度功能热流体节热系统。
（3）以红外智能调控为应用导向，分别筛选2～3种温致红外调控的无机纳米材料和纳米结构，提出新型纳米阵列温控红外调控系统的设计理念，重点掌握金属－绝缘体相变材料纳米阵列在透明基体上的组装途径，发展新型低维纳米阵列温致红外调控系统；
同时发展金属－绝缘体相变纳米材料在透明基体中的原位制备技术，通过微纳复合途径制作适合于新型建筑智能节能的温致红外调控单层颗粒膜系统。
（4）集成控热调光一体化的智能节能示范应用系统；
建立纳米节能系统自主控温性能的评价方案，掌握服役环境下温控机敏材料微结构和光、热性能演变规律及稳定性的控制方法，在此基础上实现纳米节能系统长期服役可靠性。
5年发表100篇SCI收录的论文，其中二区以上的论文多于50％，申请发明专利20～25项，撰写专著1～2本，获省部级以上奖励2项，为建立智能节能纳米复合材料系统奠定基础。
通过本项目的执行，形成几个在相关领域中有国际影响的研究群体。
在优秀人才培养方面：
培养和造就一批高层次的研究人才，包括2-3名具有国际影响力的科学家、2～3名国家杰出青年基金获得者和约50名博士；
形成几个在国内外有重要影响的智能节能材料研究基地。
三、研究方案
整个项目从关键科学问题的凝练、研究内容的分解和课题的设置总体思路都是围绕三个关键词进行的，一是智能节能，二是纳米材料和纳米技术，三是纳米材料与热有关的温控机敏特性及其应用。
在智能节能方面，本项目研究的重点是智能控热调光，把纳米材料与热有关的机敏特性与智能节能通过温度这一特定参数的控制有机地联系起来，是本项目需要解决的关键。
纳米材料和纳米结构储热－放热和对红外光的调控等优异光、热学效应是智能调热节热领域研究的重点，纳米材料微结构和键合特征与常规材料明显不同，对温度十分敏感，这为我们利用温度控制微结构、价态和能带的变化，实现对纳米材料光、热效应的调控提供了广阔的研究空间。
项目的总体研究思路如图5-1所示。
据此，我们的研究方案从以下三个方面进行考虑。
一是围绕高效储热－可控放热和红外调控，筛选和设计材料体系，发展可用于智能节能的纳米材料和纳米结构的普适性宏量制备方法，重点研究：
（1）纳米定形相变材料体系储热－放热新规律和新原理；
（2）与微结构、价态和能隙相关的具有红外调控功能的纳米材料与纳米结构及其调控红外反射（或阻隔）／透过的要素。
该方面一直是纳米材料领域研究的薄弱环节。
显然这将成为本项目研究的核心，从某种意义上来讲，这一方面的研究基础性强，涉及本项目研究的全局，对完成本项目的研究目标有重要意义。
二是以智能节能应用需求为牵引，围绕太阳能、工业废热、余热的高效利用和建筑智能窗，设计和发展有实际应用价值的复合纳米材料体系。
在这方面，我们拟开展两方面的研究：
（1）围绕高效储热－可控放热，重点研究调热、节热纳米材料／介孔材料复合体系，利用多孔载体和定形相变材料协同增强、优势互补，以实现通过温度对储热－放热的控制；
（2）以智能窗为导向，设计和制备红外调控功能纳米材料／透明基体复合材料体系（包括单层颗粒膜和低维纳米阵列体系），通过纳米材料温度诱导的金属－绝缘体相变前后的价态和能带变化，在保证对可见光透明的前提下实现对红外光透过／反射（或阻隔）的调控。
这一部分研究内容实用性强，将为智能节能领域提供有价值的材料支撑，也为智能节能系统的设计提供相关技术的支持。
本项目在这方面的研究将集中热利用和纳米材料两方面的研究力量，部署两个课题，在这方面联合攻关，对实现本项目的研究目标将起到举足轻重的作用。
三是纳米材料智能节能系统的控制、应用示范系统的研制。
这部分研究内容包括：
基于纳米结构的红外智能调控原理型器件；
储热－放热智能调控系统的设计和示范装置（包括基于纳米定形相变的紧凑式储热－换热器和低粘度功能热流体节热系统的研究），在此基础上，集成建筑智能节能的示范材料系统。
这方面研究是本项目一、二两方面研究成果在应用上的具体体现，也将验证纳米智能节能材料和技术在实际应用的有效性。
三个方面的研究在层次上处于不同阶段，是相互依赖、相辅相成的，第一方面属于基础研究，第二方面是有明确目标牵引的材料应用基础研究，第三方面属于以智能节能需求为导向的器件应用基础研究。
整个项目总体思路体现基础和应用的衔接，纳米材料和智能节能系统控制相结合，形成了本项目研究的特色。
本项目的创新主要表现在两个方面。
一是技术创新：
（1）发展宏量可控制备技术，合成定形相变、金属－绝缘体相变纳米材料；
发展介孔限域体系的组装技术，制备高储热和可控放热的纳米结构复合体系；
发展透明基体／纳米结构原位制备技术和纳米阵列组装技术，制备红外调控体系。
（2）建立和发展纳米材料与纳米结构热导、热容、热辐射等热学性能的测试方法。
（3）建立储热－放热和红外透过／反射（或阻隔）智能控制特性的表征方法。
二是知识创新：
（1）揭示纳米材料和纳米结构定形相变的特点及其与声子态密度、输运局域化的相关性；
揭示纳米材料和纳米结构高储热的起因和可控热释放的基本要素。
（2）揭示金属－绝缘体相变纳米材料在红外透过／反射（或阻隔）之间转变的微观机制，以及温度对微结构、价态和能隙变化的影响规律。
（3）集成基于纳米材料温控机敏特性的控热、调光器件，设计智能节能（节热）系统。
以上两方面的创新还可以通过智能节能应用示范器件和装置研制等方面加以体现，这包括：
（1）基于纳米结构的智能红外调控原理型器件。
（2）利用太阳光热、工业余热和废热的纳米结构储热－放热智能调控系统的设计和示范装置。
（3）基于纳米结构的智能节能应用示范系统集成研究。
预期本项目不仅将在智能节能纳米复合材料的基础研究方面取得一系列具有重要国际影响的成果，形成国际上有特色的先进研究群体，并培养出一批有国际影响力的科学家，同时将发展一系列具有重大节能应用价值的高级智能节能纳米复合材料系统及器件，一举奠定我国节能技术在国际上的领先地位，为我国能源材料及相关产业的发展和产品升级换代做出重要贡献。
主要进展和突破将体现在如下5个方面：
1、发展一系列具有智能控热、调光效应的温控机敏纳米材料与纳米结构；
2、构筑具有高效储热－可控放热和红外调控功能的宏观尺度纳米结构；
3、建立纳米结构比热容、热导、热辐射等热学性能的表征方法；
4、构筑具有高效储热－可控放热、红外调控功能的智能节能示范性装置或原理型器件；
5、建立集控热、调光为一体的智能节能系统设计的新原理新方法。
课题设置
为了推动项目的顺利实施，我们全盘考虑了项目的实施方案，把主要研究内容划分为3个层面，组织4个课题进行分工合作研究。
3个层面是：
1）设计、合成温控机敏特性纳米结构及其复合材料；
2）纳米结构复合材料温控机敏特性的调控、优化和稳定性；
3）智能纳米复合材料在节能领域（特别是建筑节能领域）应用基础的科学问题，智能节能微纳米原型器件及材料系统的设计、制作和应用。
以总项目通过控热调光、实现自主控温的智能节能为中心，以特定的机敏特性和关键的科学问题为经纬2线贯穿于3个层面，将3个层面紧密联系，互相依托，并作为纽带把4个课题紧紧锁定在以温控机敏特性纳米材料与纳米结构的设计、智能调热及控光纳米结构复合体系的设计、机敏特性复合与协同效应、节能智能化效应4个研究方向上。
具体课题名称、研究内容和研究目标如下：
01课题：
温控机敏特性纳米材料设计及制备
承担单位：
中科科学技术大学，北京大学。
负责人：
谢毅
主要研究内容：
发展具有温控机敏特性的纳米材料与纳米结构的设计与普适性宏量制备技术，研究纳米材料与结构随温度变化引起的微结构、价态、能带、比热容、热导、热辐射性质变化的规律及其调控方式。
系统认识相关体系中尺寸效应、表面效应、界面效应及其光、热响应的协同和增强效应，探索其温控机敏特性的控制方式和光、热效应优化途径。
（1）以红外调控为导向，设计用于智能调温的新纳米材料和纳米结构体系。
着重研究温度诱导的金属－绝缘体相变纳米材料体系，如VO2、Ti2O3及其异质掺杂／复合体系，探索金属－绝缘体相变前后价态、能隙的变化与红外调控和可见光透过的相互关系，认识金属－绝缘体相变对红外调控的影响规律及新原理。
同时关注其它温度诱导的金属－绝缘体相变纳米体系，如ABO3型钙钛矿及其异质掺杂／复合体系的John-Teller畸变或电荷密度波效应，并探索由此引起的红外透过／反射（或阻隔）效应。
（2）研究纳米材料体系定形相变的规律和特征，筛选在节能领域有实用价值的新材料体系；
重点研究固－固定形相变纳米材料表面组分、颗粒尺寸与其相变临界温度及相变潜热的相关性。
（3）研究纳米介孔体系的比热容、热辐射和热导的表征方法及其与温度的相关性，探索通过纳米尺度、表面和界面修饰调控其比热容和热辐射等热学参数的途径及其微观机制。
（4）基于金属－绝缘体相变原理，研究材料电阻温度系数与纳米结构尺寸等因素的相关性，找出增大电阻温度系数的最佳途径，探索利用电信号表征温度变化的原理及其控制机制，为设计非接触式温控开关提供可行的材料体系。
为了保证上述相关材料的研究，本课题还将关注其宏量制备的新方法和热学性能的表征技术，特别是热导、比热容的测试技术、以及温度诱导机敏特性的表征方法，并找出控制机敏特性的基本参数。
经费比例：
31%
02课题：
智能控热纳米复合体系的优化
北京大学、中科院合肥物质科学研究院
林建华
以热效应节能为目标，深入研究纳米与纳米复合系统的材料类型、多尺度的尺寸效应、表面效应、界面效应与介孔限域效应对材料中各种热物理过程（包括热的吸收、富集、传导、辐射和释放等）的影响机制及其内在规律。
为存储热量的控制释放提供技术支持，为开展高效储热－可控放热系统设计提供材料基础。
（1）以太阳光热和工业余热、废热利用为导向，设计和制备高效储热纳米复合体系。
通过计算仿真，模拟新型介孔限域体系的相平衡，据此筛选纳米介孔体系（如SiO2气凝胶等），重点研究Na2XO4（X=Cr、W、Mo等）等固－固相变纳米材料在介孔中的原位合成与组装技术，探索介孔限域体系中纳米颗粒尺寸、添加量对其相变临界温度的影响及其调控机制，认识纳米颗粒表面组分与介孔限域体系相变潜热的相关性及其控制机理，找出提高体系相变潜热的有效途径。
同时关注在SiO2等介孔体系中组装CaCl26H2O、Mn（NO3）26H2O等固－液相变材料以构筑新型纳米定形体系，研究介孔形状、尺寸、排列方式和分布密度对新型介孔限域体系相平衡的影响规律，探索介孔限域的固－液相变的稳定性和循环性能。
（2）研究介孔限域纳米复合体系协同增强的可控储热－放热性能，研究基体孔隙率、孔径尺度、温度和材料种类对比热容的影响规律，探索纳米相变材料温致热容增强的动力学过程，以实现比热容从“跃变”到渐变的演化。
研究相变材料和介孔结构的界面化学，关注通过表面化学修饰提高相变材料的稳定性及其介孔限域体系的循环性能的有效途径，进而认识其热能高效存储和缓释的规律，确定制备高效储热－可控放热材料体系的最佳工艺流程和参数。
（3）基于纳米结构定形相变原理，构筑智能储热－放热的示范性材料系统。
重点研究基于纳米相变的紧凑式贮热－换热器的有效集成途径，研究纳米定形相变材料与薄板形介孔基体的复合方法，测试和分析薄板型纳米相变材料的当量热物性，探索其特殊传热规律。
同时重点关注基于纳米相变的低粘度功能热流体节热系统的设计和制作，研究采用硅胶等封装纳米定形相变材料的有效途径，研究其有效密度与流体密度的匹配原则，发展其在流体中的有效分散技术，探索制备低粘度功能热流体新方法。
（4）探索智能储热－放热示范系统热效应优化的途径；
认识智能材料系统中温度诱导的微结构演化规律，进而找出提高其相变循环性能的有效方式；
探索智能储热－放热系统温控机敏性能的测试方法和评价标准。
23%
03课题：
智能红外调控纳米结构的优化
中科院合肥物质研究院，中科院上海硅酸盐研究所
李广海
以调光控温节能为目标，研究基于纳米结构的温致红外调控材料体系中原子输运和电子输运的新规律，探索纳米材料的微结构、价态和能带随温度变化的规律，深入认识电子、光子的相互作用，发展新型金属－绝缘体颗粒膜以实现温控机敏的红外调节。
提出新型红外调控纳米阵列的设计理念，同时提高红外调控幅度和可见光透过率。
深刻理解纳米材料体系中多尺度的尺寸效应、表面效应、界面效应和复合引起的协同效应对光反射（或阻隔）／透射的影响机制及内在规律。
（1）研究VO2和Ti2O3异质掺杂／复合纳米结构体系微结构、价态和能带随温度变化的规律及其与纳米尺度的相关性，表征相变诱导的红外透过／反射（或阻隔）转变的特性，优化出适合于智能节能的金属－绝缘体相变红外调控纳米材料的最佳参数。
（2）以智能窗为导向，重点研究SiO2等透明基体／VO2等异质掺杂（复合）纳米颗粒的原位制备和组装技术，制备系列对可见光透明、并能调控红外透过／反射（或阻隔）的纳米结构组合体系，研究纳米受限体系中温度诱导的相变行为和特点，优化出红外调控／可见光增透协同的温控智能红外调控材料体系。
同时，重点研究在透明基体上构筑全新的金属－绝缘体相变低维纳米阵列，研究纳米结构单元形貌、尺寸、排列方式和分布密度对纳米阵列红外调控和可见光透过的影响规律，特别是金属特性高温相纳米结构单元的表面等离子共振和局域化场与红外调控幅度和可见光透过率的相关性。
（3）基于金属－绝缘体相变的温致红外智能调控器件构筑。
研究器件中相变材料和基体材料的相容性问题，优化其光学特性，探索温度控制的红外智能调节器件的构筑方法，通过温致红外调控纳米材料和基体的光学协同效应，优化其红外反射（或阻隔）／透过性能和可见光透过能力。
（4）研究温致红外智能调控纳米受限体系中金属－绝缘体可逆相变时的微结构稳定性及其控制方法，优化红外透过／反射（或阻隔）随温度可逆变化的循环性能，找出构筑适合建筑节能的温致红外调控器件的最佳工艺参数。
建立智能红外调控系统的机敏特性测试方案和评价标准。
此外，为了实现上述温控红外智能调控系统的构筑，本课题还将关注VO2、Ti2O3与SiO2等透明基体复合（组合）体系（包括单层颗粒膜和低维纳米阵列体系）的大面积制备及其性能优化技术。
23%
04课题：
新型智能节能的示范应用系统构筑
中科院上海硅酸盐研究所，中国科学技术大学
赵景泰
筛选材料体系，提出基于纳米材料与纳米结构的新型温控机敏特性节能体系和器件的设计原理、性能调控的基本参数及实现智能节能的核心技术，构筑建筑智能节能应用示范系统，研究系统温控机敏特性的测试方法及节能效果评价方案，通过工艺参数和性能优化，提高示范系统的稳定性和可靠性。
同时，采用纳米技术升级实现目前理论上比较成熟的电致变色系统，以实现其环境因素驱动的智能红外调控，也是特殊领域智能节能技术的重要研究课题，同时为更适合于建筑节能的温控红外调控系统的构筑提供理论指导和技术支撑，因而也是本课题的重要关注内容之一。
（1）非接触温控电致变色红外调控智能系统
研究基于金属－绝缘体相变的VO2和Ti2O3等纳米材料的电阻随温度变化的规律及其对电信号的调制机制，筛选临界转变温度合适的纳米体系，制作热二极管原理的非接触式热开关，并探索其与电致变色器件的集成方法来构筑红外反射（或阻隔）率自主调制的电致变色智能红外调控器件，以实现环境温度响应的红外透过／反射（或阻隔）的连续调制，并探索提高响应速度、安全性和寿命的有效途径，建立温控电致变色器件的性能测试方案。
（2）纳米结构的建筑智能节能示范系统的集成
研制掺混纳米相变多孔材料及其组装体系的高热容轻质围护结构，探索其温控储热－放热性能；
基于温度控制的高效储热－可控放热和智能红外调控的原理，通过理论和实验探索其在建筑智能节能领域中的应用途径；
研究高效储热－可控放热和红外智能调节器件的集成，探索其在建筑节能中的协同效应，测试其热物性和力学性能，并评价其经济技术指标。
（3）测试纳米智能材料系统的建筑节能效果，优化出建筑节能效果最佳的智能材料系统集成的工艺参数，模拟不同气候、季节的环境条件下示范系统的节能行为，探索不同地域条件下建筑智能节能纳米复合体系设计的一般性原理和智能节能系统构筑的基本准则，建立建筑节能智能示范系统节能效果的测试方案和评价标准。
（4）研究服役条件下建筑智能节能材料系统的稳定性控制方式，探索其长期使用的可靠性。
这四个课题在研究过程中均贯彻“三个结合”的原则：
知识创新和技术创新相结合、基础和应用相结合、节能材料应用和智能系统设计相结合。
01课题是以智能节能为导向，在“广谱”范围，研究温控相变纳米材料的制备方法、机敏特性的起因，既为02、03课题的智能节能纳米结构复合体系提供理论基础，更重要的是为04课题发展纳米结构智能节能系统及器件提供科学支撑，是整个项目的基础。
02、03课题是01课题在智能节能应用中的具体延伸。
其中02课题是以太阳能热能的高效利用和工业余热、废热综合利用为导向，利用纳米技术，重点研究纳米复合体系储热－放热的基本规律，特点是以纳米多孔材料为缓释基体，以纳米储热材料为客体，制备具有储热－放热智能效应的复合材料体系。
02课题是01课题在储热－放热节能领域的具体应用，组装体系中客体材料的优化与01课题的研究有密切的关系。
03课题重点研究温控红外调控纳米材料与透明基体的复合体系，牵引的驱动力是智能窗的应用，其目的是在满足对可见光透明的条件下采用纳米材料对红外透过和反射（或阻隔）进行调控。
01课题的部分研究成果将在03课题具体应用中得到体现，反过来又为01课题最后聚焦和筛选智能调光纳米材料提出深层次的要求。
04课题以01、02、03课题的基础，是智能节能领域具体应用的体现。
该课题将把整个项目的研究成果推向智能节能高端应用的层面，为推广纳米智能节能技术起到一定的示范作用。
总之，这四个课题既有分工，又有合作，课题设计的总体思路和研究方案使本项目基础研究与应用基础研究很好地衔接，有利于学科交叉、优势互补，从而保证了整体研究目标的实现。
四、年度计划
研究内容
预期目标
第
一
年
2009年1月-2009年12月
研究VO2、Ti2O3、ABO3等金属-绝缘体相变纳米材料、SiO2气凝胶等介孔材料和Na2XO3等固-固相变纳米材料的设计与宏量制备科学与原理研究；
研究固-固相变、固液相变材料的介孔限域体系的可控宏量制备中的科学问题；
探索温度敏感、红外响应的VO2、Ti2O3和SnO2纳米结构及其异质掺杂体系的设计、合成与优化；
初步研制非接触自驱动光（温）控开关器件，进行新型智能节能示范应用系统基础实验平台设计和建设，进行双向反射率/透过率测试装置建设和调试。
实现温控机敏材料纳米结构和介孔结构的可控制备，发展一些列温控机敏纳米材料和结构材料；
实现纳米结构机敏材料介孔限域体系和透明体复合体系的可控组装；
初步建立示范应用系统基础实验平台，并完成双向反射率/透过率测试装置建设和调试。
发表SCI论文15篇以上，申请国家发明专利4项以上。
二
2010年1月-2010年12月
研究纳米结构的比热容、热导和红外调控及可见光透过率的表征方案。
研究固-固、固-液纳米定形相变介孔限域结构特征与相变规律，测定体系的比热容、热导等参数。
探索纳米掺杂或复合导致薄膜载流子密度对透光度的影响，研究实现温致红外调控的基本结构参数，找出由高红外透过到高红外反射的阵列膜最佳工艺参数，筛选出与透明基
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