鍍膜玻璃研究進(jìn)展

徐長(zhǎng)青 程舟 黃振鋒

（1. 中國(guó)南玻集團(tuán)股份有限公司 深圳 518067；2. 宜賓環(huán)球光電節(jié)能科技有限公司 宜賓 644000；3. 成都華裕玻璃制造有限公司 成都 610100）

0 引言

鍍膜玻璃具有優(yōu)異的隔熱、保溫性能，在目前全世界能源緊缺、節(jié)能和綠色環(huán)保呼聲日高的形勢(shì)下，是建筑節(jié)能中不可缺少的主要建筑材料之一。鍍膜玻璃是在玻璃表面涂鍍一層或多層金屬、合金或金屬化合物薄膜，以改變玻璃的反射率、導(dǎo)電率等性能。

玻璃鍍膜技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展可分為三個(gè)階段［1］，在上世紀(jì)80年代，耀華玻璃集團(tuán)通過(guò)引進(jìn)國(guó)外設(shè)備，利用磁控濺射技術(shù)開(kāi)展了鍍膜玻璃的生產(chǎn)，90年代，秦皇島玻璃工業(yè)研究設(shè)計(jì)院等科研單位進(jìn)行了鍍膜玻璃技術(shù)的研發(fā)，突破了國(guó)外的技術(shù)封鎖。進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)鍍膜玻璃工業(yè)開(kāi)始穩(wěn)定生產(chǎn)。

1 鍍膜玻璃的結(jié)構(gòu)原理

熱反射玻璃和低輻射玻璃是鍍膜玻璃中最重要的兩類(lèi)，兩者的作用原理和適用范圍雖然不同，但是均具有節(jié)能環(huán)保、調(diào)節(jié)熱量的作用。

當(dāng)太陽(yáng)光照射到玻璃上時(shí)，光子攜帶的熱量一部分被玻璃反射，一部分被吸收，剩余的熱量透過(guò)玻璃進(jìn)入室內(nèi)。同時(shí)，由于玻璃的輻射率較高，被其吸收的熱量也會(huì)向外輻射出去，并且大部分熱量會(huì)被輻射至溫度稍低的室內(nèi)。因此，除了被反射的熱量外，被玻璃吸收和透過(guò)玻璃的熱量均會(huì)對(duì)室內(nèi)的溫升產(chǎn)生影響。據(jù)此分析，為降低玻璃的吸收率和透過(guò)率，需要提高玻璃表面對(duì)熱量的反射率。熱反射玻璃就是基于此原理產(chǎn)生的。熱反射鍍膜玻璃對(duì)太陽(yáng)光具有較高的反射率、較低的透過(guò)率和吸收率，實(shí)現(xiàn)了隔絕太陽(yáng)光熱量的作用。因此，在夏季或者低緯度地區(qū)，熱反射玻璃將太陽(yáng)光熱量阻隔在室外，使室內(nèi)保持較低的溫度而不受室外太陽(yáng)光的影響。而在高緯度地區(qū)，寒冷的冬季，室內(nèi)溫度高于室外溫度，為防止室內(nèi)熱量通過(guò)門(mén)窗玻璃散發(fā)到室外，采用低輻射鍍膜玻璃可使室外陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)，同時(shí)在一定程度上使室內(nèi)熱量的輻射反射回室內(nèi)，減少了室內(nèi)熱量的流失和外泄，從而達(dá)到了節(jié)能保溫的目的。

2 鍍膜玻璃的性能指標(biāo)

自然界的熱量均來(lái)自于太陽(yáng)能，太陽(yáng)光通過(guò)導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種形式的組合進(jìn)行傳導(dǎo)。經(jīng)太陽(yáng)光加熱后的室外空氣，以導(dǎo)熱和對(duì)流的方式對(duì)玻璃進(jìn)行加熱，但玻璃接收到的熱量更多的來(lái)自于太陽(yáng)輻射能經(jīng)過(guò)大氣層吸收和反射之后剩余的能量。這部分能量中起到加熱功能的主要為可見(jiàn)光和紅外線部分，為了不影響室內(nèi)采光并達(dá)到隔絕熱量的目的，玻璃需對(duì)太陽(yáng)輻射光譜進(jìn)行有選擇的反射和吸收。鍍膜玻璃是指在平板玻璃表面鍍上一層或多層由金屬、非金屬、合金或金屬氧化物組成的薄膜，使玻璃能將太陽(yáng)光反射回大氣中，從而達(dá)到阻止太陽(yáng)光進(jìn)入室內(nèi)的目的。衡量鍍膜玻璃熱量傳遞的參數(shù)有傳熱系數(shù)、遮蔽系數(shù)和太陽(yáng)能總透射比等。

2.1 傳熱系數(shù)

鍍膜玻璃的傳熱系數(shù)，又稱(chēng)為K值，它是指鍍膜玻璃在單位時(shí)間、單位面積、單位傳熱距離、溫度升高或降低一度所傳遞的熱量。傳熱系數(shù)是一個(gè)綜合系數(shù)，包含了在上述條件下玻璃的導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射三種傳熱方式傳遞的熱量，是鍍膜玻璃傳熱的一種綜合體現(xiàn)。玻璃的傳熱系數(shù)越大，說(shuō)明越容易導(dǎo)致室內(nèi)溫度上升，因此，傳熱系數(shù)常被用來(lái)評(píng)價(jià)玻璃的節(jié)能效果。從傳熱系數(shù)的定義來(lái)看，影響鍍膜玻璃傳熱系數(shù)的因素主要有玻璃厚度、玻璃面積等玻璃自身的性質(zhì)以及室內(nèi)外氣體流速、密度、比熱等，除此之外，還與玻璃鍍層的性質(zhì)有關(guān)。

2.2 遮蔽系數(shù)

遮蔽系數(shù)，也稱(chēng)為遮陽(yáng)系數(shù)，是指鍍膜玻璃遮擋太陽(yáng)光輻射的能力。遮蔽系數(shù)是衡量鍍膜玻璃遮陽(yáng)效果的重要指標(biāo)［2］。遮蔽系數(shù)是以總太陽(yáng)透過(guò)率與3 mm無(wú)色透明玻璃的總太陽(yáng)透過(guò)率的比值來(lái)確定的，一般3 mm無(wú)色透明玻璃的總太陽(yáng)透過(guò)率為0.87，鍍膜玻璃的總太陽(yáng)能透過(guò)率除以0.87即為其遮蔽系數(shù)。熱反射玻璃的隔熱反射性能通常用遮蔽系數(shù)來(lái)表示，遮蔽系數(shù)越高，說(shuō)明鍍膜玻璃的隔熱性能越好。但遮蔽系數(shù)越高，也說(shuō)明鍍膜玻璃向室外反射的熱量越多，換句話說(shuō)，會(huì)向室外反射更多的太陽(yáng)光，這會(huì)對(duì)室外造成嚴(yán)重的光污染問(wèn)題，因此研究人員需要綜合考慮鍍膜玻璃的性能及建筑外墻的光污染等。

2.3 太陽(yáng)能總透射比

太陽(yáng)能得熱系數(shù)（SHGC）也稱(chēng)太陽(yáng)能總透射比，是指通過(guò)透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)（門(mén)窗或透光幕墻）的太陽(yáng)輻射室內(nèi)得熱量與投射到透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)（門(mén)窗或透光幕墻）外表面上的太陽(yáng)輻射量的比值。在嚴(yán)寒地區(qū)，由于緯度較高，正午太陽(yáng)高度角較低，直接照射到建筑的太陽(yáng)能較少，全年一般只考慮供暖，而不考慮供冷，所以在嚴(yán)寒地區(qū)，太陽(yáng)得熱系數(shù)不做限值要求；在其他地區(qū)，由于需要考慮夏季供冷，建筑透光圍護(hù)結(jié)構(gòu)（門(mén)窗或透光幕墻）的太陽(yáng)得熱系數(shù)必須要加以限制，以降低建筑通風(fēng)與空調(diào)運(yùn)行負(fù)荷，減少建筑能源消耗。

評(píng)價(jià)鍍膜玻璃的指標(biāo)還有太陽(yáng)光的透射率、透過(guò)率以及反射率等。鍍膜玻璃的透射率是指太陽(yáng)光透過(guò)玻璃的熱量與太陽(yáng)光總熱量的比值。透過(guò)率是指透過(guò)玻璃的太陽(yáng)光能量與被玻璃吸收轉(zhuǎn)化為熱能后進(jìn)入室內(nèi)的能量之和占太陽(yáng)光總能量的百分?jǐn)?shù)。反射率是指被鍍膜玻璃反射回去的能量與太陽(yáng)光總能量的比值。

3 鍍膜玻璃的制備技術(shù)

常見(jiàn)的玻璃鍍膜技術(shù)有磁控濺射法、氣相沉積法、噴霧熱解法和溶膠-凝膠法等。

3.1 磁控濺射法

在電場(chǎng)力的作用下，電子與惰性氣體如氬氣發(fā)生碰撞，導(dǎo)致氬氣中的氬原子發(fā)生電離產(chǎn)生氬離子，Ar+在電場(chǎng)力作用下飛向陰極，產(chǎn)生的新的電子飛向基片。由于Ar+在產(chǎn)生過(guò)程中擁有高能量，對(duì)靶材表面進(jìn)行轟擊，使靶材表面逸出濺射粒子，這些濺射粒子會(huì)在基片表面沉積從而形成薄膜［3］。玻璃基片一般在磁控濺射過(guò)程中作為陽(yáng)極，基片使用前應(yīng)先切割成使用的尺寸，然后對(duì)基片清洗以除去表面的有機(jī)或無(wú)機(jī)污染物。靶材因鍍膜不同而有所區(qū)別，一般氧化鎢靶材、氧化鋅靶材、氧化鈦靶材是比較常用的。工作氣體為惰性氣體，Ar氣較常用，使用前需充滿整個(gè)腔體。

3.2 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法是通過(guò)光輻射、等離子體作用、溫度等方式使反應(yīng)腔內(nèi)的氣體與另一種氣體或者固體在氣氣界面或氣固界面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而生成新的物質(zhì)并沉積在固體基片上［4］。由于采用氣體分子參與反應(yīng)，溫度比薄膜成分的熔點(diǎn)低很多，適用于單質(zhì)金屬薄膜、合金薄膜或者氧化物薄膜等，并且在不規(guī)則形狀的基底上也能形成均勻的薄膜。此外，還可以通過(guò)調(diào)控原料氣、反應(yīng)條件等調(diào)整薄膜的成分和結(jié)構(gòu)，得到較好的薄膜。影響沉積效果的因素主要有基底溫度、氣體分壓、系統(tǒng)總壓力、基底材料等，提高基底與薄膜之間的附著力還可以通過(guò)提高基底溫度、活化基底表面、制作梯度過(guò)渡層、清洗基底等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，最終獲得較好的沉積效果。

3.3 噴霧熱解法

噴霧熱解法是將含金屬粒子的溶液霧化后噴至玻璃基底，利用各種加熱方式使溶劑揮發(fā)，溶質(zhì)在基底上發(fā)生反應(yīng)得到薄膜。噴霧熱解過(guò)程受到噴霧過(guò)程和熱解過(guò)程雙重控制，在噴霧過(guò)程中，最首要是獲得均勻、細(xì)密的霧滴。溶液的霧化程度、霧滴的大小和形狀、霧滴的均勻性、溶劑的揮發(fā)性、溫度以及噴嘴形狀、壓力都會(huì)影響噴霧的效果。為了提高溶液的噴霧效果，又逐漸發(fā)展出了超聲噴霧熱分解技術(shù)、靜電噴霧熱分解技術(shù)、基于微電子的噴霧熱解技術(shù)等。

3.4 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法通常是利用金屬醇鹽或無(wú)機(jī)鹽類(lèi)，在有機(jī)溶劑中溶解形成均勻溶液，在一定溫度下水解和聚合形成具有一定黏度的溶膠，將溶膠涂在玻璃基底上，再通過(guò)熱處理除去有機(jī)物，形成所需要的薄膜。溶膠-凝膠法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、制備溫度低、容易調(diào)整配合比等特點(diǎn)。溶膠-凝膠法容易在各種形狀的玻璃基底上獲得薄膜，能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜的大規(guī)模制備。

4 結(jié)語(yǔ)

鍍膜玻璃作為一種節(jié)能材料在建筑中的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在其它領(lǐng)域的應(yīng)用也會(huì)隨之拓展。因此需要對(duì)鍍膜玻璃的性能要求、制備工藝和檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入研究，從而加速鍍膜玻璃的應(yīng)用推廣，促進(jìn)建筑領(lǐng)域的碳減排和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。