單銀基低輻射玻璃的光熱性能

代如成，王中平，張?jiān)雒?，孫臘珍

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

1 引 言

低輻射鍍膜玻璃是指在玻璃表面鍍上多層金屬或其他化合物的膜系玻璃，又稱低輻射鍍玻璃[1-2]. 由于這層膜的存在，使鍍膜玻璃與普通玻璃相比表面輻射率更低且具有光譜選擇性. 低輻射層膜對(duì)波長(zhǎng)2.5～40 μm范圍的遠(yuǎn)紅外線有較高的反射能力，這種良好的阻隔熱輻射透過(guò)特性，使其在冬季將室內(nèi)的熱輻射絕大部分反射回室內(nèi)，保證室內(nèi)熱量不向外散失；在夏季可以阻止室外的熱輻射進(jìn)入室內(nèi)，從而達(dá)到節(jié)能效果[3-5]. 同時(shí)低輻射玻璃又具有良好的可見光透過(guò)性能，可滿足室內(nèi)良好的采光要求，是一種新型的綠色、節(jié)能玻璃產(chǎn)品.

通常情況下，衡量低輻射玻璃性能的光學(xué)、熱學(xué)參量主要有：可見光透射比(τ)、遮陽(yáng)系數(shù)(Sc)、傳熱系數(shù)(K)等. 可見光透過(guò)比反映玻璃的采光能力；遮陽(yáng)系數(shù)說(shuō)明玻璃阻擋陽(yáng)光向室內(nèi)直接輻射的性能；傳熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，室內(nèi)外空氣溫差為1 ℃，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)1 m2窗玻璃的傳熱量，單位為W/(m2·K).K值越小，表明玻璃的保溫隔熱性能越好.

單銀基低輻射膜層是由3層膜構(gòu)成：第1層為氧化層，可以增加可見光的透過(guò)率，在玻璃襯底與功能層之間起到了粘合的作用，它的厚度決定了玻璃的顏色，氧化物一般為ZnO,TiO2,SnO2等[6-12]. 第2層為功能層，通常采用金屬銀，用來(lái)反射陽(yáng)光中的紅外線和吸收紫外線，決定了鍍膜玻璃對(duì)陽(yáng)光的反射率和透過(guò)率. 第3層為保護(hù)層，保護(hù)層的硬度比金屬膜層高,耐磨與耐酸性也比金屬膜層強(qiáng)，避免銀膜與空氣發(fā)生氧化，還可減少磨損和消除鏡面反射等，保護(hù)膜一般為TiO2,SnO2,Si3N4等[6-12].

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用蒸發(fā)磁控濺射鍍膜機(jī)(JCP-350M，北京泰科諾科技有限公司)制備薄膜樣品. 膜層材料分別為SiO2/ZnO/Ag/Ti/ZnO/TiO2，各膜層的制備方法及工藝參量見表1.

表1 各膜層材料及其制備工藝參量

采用原子力顯微鏡(SⅡ NANOTECHNOLOGY INC., NANOCUTE)表征分析樣品形貌與尺寸. 采用紫外-可見吸收光譜儀(SHIMADZU, SOLIDSPEC-3700)研究樣品的可見光透過(guò)率，顯微紅外光譜儀(BRUKER, TENSOR)研究其紅外光反射率. 在紅外燈照射下，研究了薄膜樣品的熱學(xué)性能，實(shí)驗(yàn)參量為：光照距離37 cm,光照功率3 000 W,光照時(shí)間230 s,燈光波長(zhǎng)700～5 000 nm,環(huán)境溫度16 ℃.

3 結(jié)果與討論

3.1 鍍膜玻璃形貌表征

采用AFM對(duì)薄膜表面形貌和尺寸進(jìn)行研究. 射頻濺射TiO2在玻璃表面生長(zhǎng)形貌如圖1所示. 由二維圖像可見，TiO2薄膜表面呈現(xiàn)致密且組織均勻的納米顆粒形態(tài)，尺寸在10～20 nm. 從三維形貌看，顆粒清晰可見，結(jié)晶完整，薄膜樣品表面均勻平整.

(a)二維形貌

(b)三維形貌圖1 鍍膜玻璃的AFM圖像

3.2 鍍膜玻璃的透過(guò)率與反射率研究

圖2(a)是普通玻璃與鍍膜玻璃在可見光波段的透射光譜. 普通玻璃在可見與近紅外波段都有很高的透過(guò)率. 與普通玻璃相比，鍍膜玻璃在可見光波段有很高透過(guò)率，峰值在700～800 nm之間，在近紅外波段透過(guò)率則很低. 圖2(b)是普通玻璃與鍍膜玻璃在紅外光的反射光譜. 普通玻璃在中遠(yuǎn)紅外波段的反射率在40%以下，而鍍膜玻璃在中遠(yuǎn)紅外波段的反射率在50%以上. 鍍膜玻璃具有高的可見光透過(guò)率，保證了高的采光性，在紅外波段具有很高的反射率，從而有效地阻擋了熱輻射.

(a)透射光譜

(b)反射光譜圖2 普通玻璃與鍍膜玻璃的透射光譜和反射光譜

可見光透射比(τ)是指在可見光范圍內(nèi)(波長(zhǎng)380～780 nm)，透過(guò)玻璃的可見光光通量與入射在玻璃表面的可見光光通量之比：

實(shí)驗(yàn)鍍膜玻璃的τ為65.3%，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)τ為76%[3,13]. 可見光透射比大，則玻璃通透效果好，室內(nèi)照明能耗小；可見光透射比小，則玻璃遮蔽視線的效果好，室內(nèi)照明能耗會(huì)有所增加.

遮陽(yáng)系數(shù)(Sc)是指太陽(yáng)輻射能量透過(guò)玻璃系統(tǒng)的量與透過(guò)相同面積3 mm厚透明玻璃的量之比：

實(shí)驗(yàn)鍍膜玻璃的Sc為55.4%，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)白玻璃的Sc為62%[3,13].Sc值越小，玻璃阻擋太陽(yáng)輻射直接進(jìn)入室內(nèi)的性能越好，越能降低夏季室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷.

3.3 鍍膜玻璃的熱學(xué)性能研究

鍍膜玻璃與普通玻璃經(jīng)紅外烤燈照射后，比較普通玻璃與鍍膜玻璃的向光面與背光面溫度隨時(shí)間變化.

圖3(a)是普通玻璃的向光面與背光面溫度隨時(shí)間變化. 由圖可見，紅外光照射時(shí)間在100 s內(nèi)，普通玻璃的向光面與背光兩面溫度隨時(shí)間增加，溫度均升高，溫差增大；此后隨著照射時(shí)間增加，向光面與背光面溫度均緩慢升高，當(dāng)時(shí)間達(dá)到220 s時(shí)，普通玻璃的向光面與背光面溫度趨向一致. 圖3(b)是鍍膜玻璃的向光面與背光面溫度隨時(shí)間變化. 由圖可見，隨紅外燈照射時(shí)間增加，鍍膜玻璃的向光面與背光面溫度均升高，但背光面的溫升速率明顯小于向光面的溫升速率，兩面溫差逐漸增大. 當(dāng)照射時(shí)間達(dá)到200 s以上時(shí)，鍍膜玻璃兩面的溫差基本恒定在26 ℃. 與普通玻璃相比，鍍膜玻璃向光面的溫升速率高于普通玻璃向光面的溫升速率，最高溫度分別達(dá)到50 ℃和38 ℃. 這是由于鍍膜玻璃能有效地反射照在玻璃表面的大量熱能，從而加快了向光面的溫升速率. 而鍍膜玻璃背光面的溫升速率卻明顯低于普通玻璃的背光面的溫升速率，且鍍膜玻璃背光面最高溫度只達(dá)到23 ℃，明顯低于普通玻璃的38 ℃. 這是因?yàn)殄兡げＡ?duì)紅外光有很高的反射率，阻止了外側(cè)熱量的進(jìn)入，能有效降低光照和熱傳導(dǎo)引起的背光面溫度. 由此可見，實(shí)驗(yàn)制備的單銀基低輻射鍍膜玻璃具有良好的光熱性能，明顯優(yōu)于普通玻璃的光熱性能.

(a)普通玻璃

(b)鍍膜玻璃 圖3 普通玻璃和鍍膜玻璃向光面與背光面溫度

4 結(jié)束語(yǔ)

研究了單銀基低輻射鍍膜玻璃的光熱性能. 在可見光波段，低輻射鍍膜玻璃具有較高的透射率，其可見光透過(guò)比達(dá)到65.3%. 在近紅外波段，具有較高的反射率，遮陽(yáng)系數(shù)達(dá)到55.4%，同時(shí)鍍膜玻璃也具有良好的熱學(xué)性能. 該鍍膜玻璃制備簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良，具有潛在的應(yīng)用前景.

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