低辐射(Low-E)玻璃的研究现状

1低辐射(Low-E)玻璃的研究现状摘要：低辐射玻璃由于其较低的红外辐射率而具有优异的节能效果，被誉为21世纪的节能环保玻璃。主要阐述了低辐射节能玻璃的节能原理、分类、相应的生产工艺及其如何选用低辐射节能玻璃。结合国内外研究现状，提出今后低辐射玻璃的发展应用方向及存在的问题。关键词：低辐射节能玻璃；工艺；性能；应用；Low-E2低辐射(Low-E)玻璃是是一种镀膜玻璃。通过在浮法玻璃基片表面镀上具有低辐射特性的功能膜，来降低玻璃表面的辐射率从而提高玻璃的节能性能。低辐射玻璃在可见光波段具有较高的可见光透过率。在红外线波段具备阻隔远红外线的特点。在夏季可以阻隔物体受太阳照射后发出的二次辐射热，同样冬季可以减少室内的热量向外流失，从而发挥隔热保温节能降耗的目的。低辐射玻璃以其优3异的节能环保性能而被誉为21世纪最理想的建筑玻璃材料。1低辐射镀膜玻璃的节能原理普通无色玻璃具有良好的透光性能，能透过80%～90%左右的太阳辐射。由于玻璃中分子的本征频率与中远红外的频率相近或相同，会因共振而产生红外吸收，使得中远红外的透射率极低，如图1所示。根据维恩位移定律，温度为T的物体发射出的电磁辐射的强度最大的波长位置为λmax=2897/Tμm该式表明，物体温度越低，辐射的波长越接近长波。室温下物体发射的红外电磁辐射大部分被玻璃所吸收，这部分吸收的能量将通过玻璃的二次散热而损失掉。对任意波长、任意材料表面的发射率与黑体表面的发射率之比称之为该材料的发射率。根据基尔霍夫定律，相同温度下材料的发射率与吸收系数相等。据此可知良好的吸收体也是良好的发射体。由于玻璃不透红外，因此玻璃对红外波段的电磁波只有吸收和反射。设R为玻璃表面对电磁辐射的反射率，1-R则为吸收系数，ε表示玻璃表面的辐射率，根据以上定律显然有ε=1-R图1低辐射镀膜玻璃与非镀膜玻璃光学性能对比[1]4此式表明对红外辐射具有高反射率的材料也就具有低的辐射率，反射率越高，辐射率越低。低辐射膜本质上是一种透明导电膜，在可见光波段有良好的透光性，对红外光有很高的反射性，如图1所示。低辐射镀膜玻璃通过降低玻璃表面的辐射系数减少玻璃的能量损失，其原理是尽可能多地反射红外辐射从而减少吸收和再次辐射。2低辐射玻璃的分类低辐射玻璃按成膜性质可分为硬涂层低辐射玻璃和软涂层低辐射玻璃。硬涂层低辐射玻璃也称高温热解低辐射玻璃，它是通过高温化学反应分解金属卤化物或有机金属化合物而在玻璃表面上镀制一定厚度的金属氧化物半导体膜，膜层同玻璃基体结合牢固，其各项物理、化学、机械性能基本接近甚至超过玻璃基体；软涂层低辐射玻璃是利用真空或磁控溅射的方法在玻璃上镀制多层金属和金属氧化物膜层，其膜层抗氧化强度较低，耐磨损和耐腐蚀性能较差[2]。低辐射玻璃按生产工艺可分为在线低辐射玻璃和离线低辐射玻璃。在线低辐射玻璃是在浮法玻璃生产线上利用高温热解法生产镀膜玻璃，属于硬涂层玻璃。在线低辐射玻璃膜层是在高温下沉积的，膜层较硬，牢固度好，耐磨性好，能像普通玻璃一样储存、处理和切割，可钢化和弯曲，既可暴露在环境中单片使用，也可做成中空、夹层玻璃使用。离线低辐射玻璃是玻璃下线以后，用磁控溅射、真空蒸镀等方法在玻璃表面镀制低辐射膜，离线镀制的膜层为软涂层，耐磨性和牢固度不够，储存期比较短，防湿方面也不理想，不可暴露在空气中单片使用，必须加工成中空夹层等复合产品才能使用。离线膜不可进行热处理，否则会损坏金属层。但离线膜的光学性能和隔热性能比较好，并且各项技术指标可以通过制备条件的变化而改变。低辐射玻璃膜层主要体系有银膜体系，包括单银和双银膜系。SnO2基薄膜、掺锑的SnO2薄膜简称为ATO；掺氟的SnO2薄膜简称为FTO；In2O3薄膜简称ITO；ZnO基的薄膜，其中掺铝的ZnO薄膜简称ZAO，目前最好为ZnO系薄膜[3]。3低辐射镀膜玻璃的节能性能表征评价低辐射镀膜玻璃节能性能的参数主要的有：热损失率(U值)、遮阳系5数(SC)、相对增热(RHG)等等。1U值(U-Value)U值是在ASHRAE标准条件下，由于玻璃热传递和室内外温差，单位时间内从玻璃组件一侧到另一侧空气的传输热量。英制单位为：BTU/(h·ft2·F)；公制单位为：W/(m2·K)。表征玻璃组件的保温和隔热性能，与玻璃组件的辐射、传导及周围的空气对流有关。通常分夏季白天U值和冬季夜间的U值。2遮阳系数(ShadingCoefficient或SC)遮阳系数：在相同的条件下，通过玻璃组件的阳光辐射增热与通过3mm透明玻璃的阳光辐射增热之比。它表征玻璃组件对太阳能辐射的屏蔽程度，遮阳系数越小，阻挡阳光直接辐射的性能越好。3相对增热(RelativeHeatGain或RHG)相对增热：太阳能通过玻璃组件的总增热，其中包括阳光辐射增热和传导增热，可用下面公式表示RHG=U×ΔT+SC×SHGF式中，ΔT表示室内外的温度差；SHGF表示阳光辐射增热系数(在ASHRAE标准条件下，其值为630（W/m2）。相对增热是表征玻璃组件对太阳能的屏蔽性能和对热的隔绝性能的综合指标，相对增热数值越低，太阳能通过玻璃组件的总增热越少。4低辐射玻璃的生产工艺4.1在线法生产低辐射玻璃在线法镀膜包括热喷涂、化学气相沉积(CVD)和雾化热分解，现多采用化学气相沉积法。热喷涂是在浮法线上，作往复运动的喷枪把镀膜材料喷到成形的玻璃板上，此时玻璃表面温度为400～600℃，镀膜材料受热气化发生热解反应，生成的氧化物沉积在金属表面形成所需薄膜[4]。此方法设备简单，可喷涂不同形状的玻璃制品，膜层具有良好的附着性和耐磨性，但大面积镀膜易不均匀，膜层成分偏析较严重。化学气相沉积利用玻璃经过锡槽时，让镀膜气体在玻璃表面上锡槽上方分解，并沉积在玻璃表面形成膜层。此方法可实现生产线上连续镀膜，但膜层均匀性不易控制，设备复杂，成本较高[5]。其中常压化学气相沉积较常用，6特点是镀膜速度快，成本相对低廉，膜层性能较好，此外金属有机物化学气相沉积技术也较常用。雾化热分解是近年来较受关注的一种镀膜工艺。其原理是将前驱物(SnCl2、SnCl4等)溶液经雾化后沉积在加热到一定温度的玻璃基板上，在基板上发生一系列的热分解反应从而得到氧化物薄膜[6]。此方法生产效率颇高，操作也比较简单，易于实现浮法玻璃生产线上镀膜与钢化、热弯等玻璃深加工的复合过程，生产成本较低，但对周围气氛较敏感，大气环境中镀膜易受空气影响，导致膜层出现成分不均匀等缺陷。4.2离线法生产低辐射玻璃离线法是在玻璃下线以后，再用真空蒸镀、磁控溅射和化学法等在玻璃表面镀制薄膜。前两种方法属于物理气相沉积(PVD)。离线法生产低辐射玻璃较早是采用真空蒸镀法沉积膜层，此方法投资少、见效快，但存在膜层不均匀、牢固性差的缺点，耐磨性等机械性能也不理想，有待进一步改进。磁控溅射法自动化程度较高，膜层控制容易，产品质量稳定，但该工艺投资较大，生产周期长，在一般中小企业很难推广。化学镀膜法投资少，成本低，操作简单，易于大面积成膜，其中之一采用化学喷雾沉积(CSD)，另一种是溶胶-凝胶法(Sol-Gel)，该方法兴起于上世纪80年代，可双面镀膜，膜层的电导率和可见光透过率均较高，且机械性能和化学稳定性也较好，但原料成本较高，膜层厚度和均匀性不易控制，在工业化生产中没有采用。现在镀制低辐射薄膜的主要方法是真空磁控溅射，将镀膜材料逐层溅射沉积到玻璃表面形成薄膜。膜层中功能膜层一般为银(Ag)膜，其它膜层为辅助膜，起加强连接、保护银膜、提高折射率和调整颜色等作用，如图2。真空溅射法生产镀膜玻璃时，是将普通浮法玻璃送入一个大的真空室内，内图2离线低辐射玻璃膜层基本结构7部设有多个溅射靶，随着真空室压力降低，阴极靶溅射出金属原子，沉积到玻璃表面上，形成膜层[7]。目前用磁控溅射法生产低辐射玻璃的主要生产商有德国莱宝、美国BOC公司。除了磁控溅射法，离线膜也可用物理气相沉积和溶胶-凝胶法制备。G.Leftheriotist[8]等用PVD法制备了ZnS/Ag/ZnS系的低辐射膜。介质层ZnS是用电子枪加热蒸发沉积到基片上，而金属层是用热蒸发的办法沉积的。溶胶-凝胶技术是把有机或无机金属化合物经过溶胶-凝胶化和热处理形成氧化物或其它固体化合物的方法。其基本过程是：用液体化学试剂(或粉末试剂溶于试剂)或溶胶为原料，在液相中均匀混合并进行反应，生成稳定且无沉淀的溶胶体系，放置一定时间后转变为凝胶，经脱水处理，在溶胶或凝胶状态下形成制品，再在低于传统的温度下烧结[9]。三种镀膜玻璃生产工艺的比较如表1所示。5合理选用低辐射节能玻璃1低辐射镀膜玻璃一般应用于寒冷地区的工业和民用建筑，用作门窗、幕墙配套材料。它对来自太阳的近红外辐射（波长8800-3000nm）反射率低，对可见光的透射率高，一般达到80%以上，所以在白天的时候80%能大量接受太阳光的近红外线和可见光进入室内，把光能转化为热能保持在室内，提高了室内的温度。晚上室内温度高于室外温度，室内的物体、墙体发射远红外线，碰到低辐射玻璃时有90%左右被反射回室内，起到了保温的作用。表1三种镀膜玻璃生产工艺82低辐射镀膜玻璃一般不单片使用，要作为中空玻璃的配套材料。因为所镀制的膜层暴露在空气中易损害，同时若表面附着水分会影响膜层对远红外线的反射。6前景展望随着国家《节能法》的颁布实施，广大设计师投资方对建筑节能环保的意识也在越来越高。低辐射玻璃发展了近20年，很多技术趋于成熟，低辐射玻璃由于其良好的隔热保温节能降耗特性，势必会在未来得到大规模得应用。随着国内离线低辐射玻璃设备的研制成功，可以离线生产低辐射玻璃的企业也会越来越多。但同时高质量的离线膜工艺复杂，成本较高，如何降低成本，实现大规模生产是今后离线法生产低辐射玻璃的一个重要发展方向。低辐射玻璃后期深加工也值得重视，镀膜、热弯、切割一体的生产线也需尽快研发。新兴的溶胶-凝胶法镀制低辐射膜的方法其成本和薄膜控制方面的问题有待于进一步解决。9参考文献[1]SchaeferC,BrauerG,SzczyrbowskiJ.SurfaceandCoatingsTechnology93,1997:37-45[2]刘志海,李超.低辐射玻璃及其应用[M].北京:化学工业出版社,2006:69-75[3]张波,张建新,蔡伟.低辐射建筑节能玻璃研究进展[J].玻璃与搪瓷,2008,36(6):35[4]李成存.玻璃在线热喷涂镀膜工艺及预留热喷涂区的设计[J].山东建材,1997,5(1):17-20[5]姚寿山,孔令辉.低辐射镀膜玻璃及其应用[J].材料开发与应用,2002,17(6):38-42[6]赵高扬,张生国,郅晓等.玻璃基板上低辐射涂层的制备及性能研究[J].中国建材科技,2006,25(3):103-106[7]金炯,王德苗,董树荣.低辐射玻璃的研究进展[J].材料导报,2004,18(10):14-15[8]LeftheriotisG,PapaefthimiouS,YianoulisP.Developmentofmultilayertransparentconductivecoatings[J].SolidStateIonics,2000,136-137:655[9]周经培.影响溶胶凝胶镀膜玻璃产品质量的几种因素[J].玻璃,1995,22(3):35-39