（分析化学专业论文）可钢化磁控溅射lowe玻璃的研制.pdf

独创性声明 !ffrlllr l l lli ! l l i il l1 1 1i f l u p y 18 2 0 2 8 1 本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：多彳釜霖 日期：夕口肜一衫粥 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：穆夸象 翮鹳邓愀砂徘 ，6 一o s 西南科技大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 在现代建筑中，追求大面积采光的玻璃设计成为潮流，然而普通玻璃门 窗能耗占整个建筑能耗的4 0 以上，这与建筑设计的节能性取向产生矛盾。 因此提高玻璃的节能性能，已经成为如何真正实现建筑节能的关键所在。而 近几年低辐射镀膜的光学性能、结构、可钢化性更是逐渐成为新的研究热点。 本文使用c o d e 软件设计并采用磁控溅射法成功制备了三种可钢化 l o w e 玻璃，膜系结构分别为：s i 3 n 4 c r n 。a g n i c r n 。s i 3 n 4 、s i 3 n 4 一s n o n i c r o 。a g z n o x - n i c r 0 x - s n o - $ i 3 n 4 、s i 3 n 4 s n o n i c r o 。- a g - z n o 。- n i c r o 。一 t i o ，s i ，n 4 ，同时分析l o w e 玻璃的微观结构、光热学性能、耐磨性以及耐 热处理性能等。采用a f m 分析纳米a g 层的微观结构并从微观结构解释阻 挡层c r 、n i c r 对银膜的保护作用机理，而且观察到整个膜层光滑平整，x p s 探测到膜层表面物质与设计表层一致；光、热学性能分析表明，可钢化l o w - e 玻璃能大量反射红外线，2 5 0 0 n m 反射率高达8 0 ，降低了紫外线的透过率， 允许大量的可见光透过，具有良好的光选择性和节能性能，并且改用s i 3 n 4 作为内外保护层后，增加了复合涂层的硬度和附着力，而且不影响整个膜层 光选择性；经过7 0 0 。c 高温热处理分析显示，本文成功设计并制备出三种符 合g b l5 7 6 3 2 2 0 0 5 、g b t 1 8 9 1 5 2 2 0 0 2 的要求，具有可钢化性的l o w e 玻 璃，并分析了失败试样的原因；并采用模拟方法对制备的可钢化l o w e 玻 璃在我国各地区的节能效果进行了比较分析。 关键词：可钢化、l o w e 玻璃、磁控溅射、光学性能、热学性能 西南科技大学硕士研究生学位论文第l l 页 a bs tra c t l a r g ea r e ag l a s sl i g h t i n gd e s i g n h a sb e c o m em o r e a n dm o r ep o p u l a r ，i n m o d e r nb u i l d i n g s b u t ，t h eo r d i n a r yf l o a t i n gg l a s sw i n d o w sa n dd o o r st h r o u g h o u t t h e b u i l d i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n a c c o u t sf o rm o r et h a n 4 0 ，w h i c h i s e n e r g y e f f i c i e n tb u i l d i n gd e s i g nc o n t r a d i c t i o n sb e t w e e ns e x u a lo r i e n t a t i o n h o w t oi m p r o v et h ee n e r g yp e r f o r m a n c eo fg l a s si st h ek e yt oa c h i e v i n gb u i l d i n g e n e r g ye f f i c i e n c y i nr e c e n ty e a r s ，o p t i c a lp r o p e r t i e s ，s t r u c t u r ea n dt e r m p e r i n g p r o p e r t i e so fl o w e m i s s i v i t yc o a t i n gi sg r a d u a l l yb e c o m i n gan e wh o t s p o t t h r e ek i n d st e m p e r i n gl o w e m i s s i v i t yf i l mo fs i 3 n 4 一c r n x a g n i c r n x - s i 3 n 4 ，s i 3 n 4 - s n o n i c r o x - a g - z n o 、一n i c r o 。一s n o - s i 3 n 4 ，s i 3 n 4 一s n o n i c r o 。- a g - z n o x n i c r o x - t i0 2 一s i 3 n 4c o a t i n go nf l o a tg l a s ss u b s t r a t ew h i c hw e r ed e s i g n e d b y s o f t w a r eo fc o d ew e r es u c c e s s f u l l ym a d eb yv a c u u ms p u t t e r i n g c o a t i n g t e c h n o l o g y ，t h ep e r f o r m a n c eo f l o w eg l a s s ，s u c ha s m i r o s t r u c t u r e o p t i c a l p r o p e r t i e s ，t h e r m a lp r o p e r t i e s ，t e m p e r i n g ，e t c ，w a sa n a l y z e d u s i n g a f mt o o b s e r v a t et h en a n o a gf i l mm i c r o s t r u c t u r e e x p l a i n e dt h em e c h a n i s mt h a th o ， b a r r i e rl a y e rc ra n d n i c rp r o t e c tt h en a n o a gf i l mn o tt ob eo x i d i z e d a n da f m o b s e r v e dl o w e m i s s i v i t yf i l mi sv e r ys m o o t h t h ex p sr e s u l ts h o w e dt h a tt h e s u r f a c ec o m p o s i t i o ni st h es a m ea sd e f a u l t t h eo p t i c a la n dt h e r m a lp r o p e r t i e s a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h ev i s i b l el i g h tp e n e t r a t et e m p e r i n gl o w - eg l a s sw h i l e t h e yl o wd o n wt r a n s m i t t a n c eo fu l t r a v i o l e tr a y sa n dh e i g h t e n st h er e f l e c t a n c eo f i n f r a r e dr a y s ，t h e i ri n f r a r e df l e c t i v i t yi n2 5 0 0 n ma r em o r et h a n8 0 t e m p e r i n g l o w - eg l a s sh a sf i n el i g h ts e l e c t i v ea n dp e r f o r m a n c e so fh e a tp r e s e r v a t i o n b e s i d e sh o l d i n gt h es p e c t r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，a d o p t i n gs i na st h ei n n e r a n d o u t p r o t e c t i v el a y e rc a na l s oi n c r e a s et h es o l i d i t ya n da d h e s i o no ft h ec o m p o s i t e c o a t i n g a f t e r7 0 0 。ch i g ht e m p e r a t u r eh e a tt r e a t m e n t ，t h er e s u l t s h o w e dt h a t t h r e ek i n d st e m p e r i n gl o w - eg l a s sw h i c hm e e tt h en a t i o n a ls t a n d a r dg b157 6 3 2 - 2 0 0 5a n dg b t 18 915 2 2 0 0 2 r e q u i r e m e n t sw e r es u c c e s s f u l l yd e s i g n e da n d p r e p a r e d ，t h e r ea r et h er e a s o n so ft h ef a i l u r es a m p l ei nt h ep a p e r t h ee n e r g y s a v i n ge f f e c to ft e m p e r i n gl o w eg l a s su n d e rd i f f e r e n tw e a t h e ri nd i f f e r e n t a r e a so fc h i n aw a sc o m p a r e db ys i m u l a t i o nm e t h o d 西南斟技大学硕士研究生学位论文第l l l 页 k e yw o r d s ：t e m p e r i n g l o w eg l a s s s p u t t e r i n g o p t i c a lp r o p e r t i e s t h e r m a lp r o p e r t i e s 西南科技大学硕士研究生学位论文第页 目录 1 绪论1 1 1 低辐射薄膜的原理2 1 2l o w e 玻璃的分类6 1 2 1按生产方法的分类6 1 2 1 1 在线l o w e 玻璃制备方法6 1 2 1 2 离线l o w e 玻璃制备方法7 1 2 2 按性能特征的分类9 1 2 2 1 适用于高纬度的高透过率l o w e 玻璃1 0 1 2 2 2 适用于低纬度的遮蔽型l o w e 玻璃1 0 1 3 低辐射薄膜的特点1 0 1 3 1 光热特性1 0 1 3 1 1l o w e 玻璃的光选择性1 0 1 3 1 1l o w e 玻璃的隔热保温性能1 1 1 3 1 3 降低露点1 1 1 3 2 装饰控光功能1 2 1 3 3 环保功能1 2 1 4 国内外研究现状12 1 5 应用及研究领域存在的不足和问题14 1 6 研究内容及创新点15 1 6 1 研究内容15 1 6 2 创新点16 1 7 实验流程1 6 2 实验方法18 2 1 膜层设计1 8 2 2 膜层材料和制备设备1 9 2 3 可钢化l o t e 玻璃膜制备过程2 2 2 4 分析测试方法2 4 2 4 1 微观结构分析2 4 2 4 1 1 原子力显微镜( a f m ) 分析2 4 2 4 1 2x 射线光电子能谱仪( x p s ) 分析2 4 2 4 2 光学性能测试及光学性能判定标准2 4 3 2 3 3 3 3 3 3 西南科技大学硕士研究生学位论文第v i 页 3 6 6 高温热处理分析：4 7 3 7s i 。n ，膜层对光学性能的影响4 8 3 8 本章小结4 9 4 可钢化l o w - e 玻璃在我国各气候地区的应用。5 1 4 1 可钢l o w e 玻璃不同气候地区城市的应用原则5 1 4 2 可钢化l o w e 玻璃在北京地区应用5 l 4 3 可钢化l o w - e 玻璃在哈尔滨地区应用5 2 4 4 可钢化l o w e 玻璃在上海地区应用5 3 4 4 可钢化l o w e 玻璃在广州地区应用5 4 4 4 可钢化l o w - e 玻璃在成都地区应用5 4 4 6 本章小结：5 5 5 总结。5 6 致谢。5 8 参考文献5 9 附录。6 2 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果6 8 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 在上个世纪，建筑玻璃领域有两个影响最重大的壮举一是采用锡槽 法制备的大面积原片玻璃，即浮法玻璃；二是在大面积浮法玻璃上镀制薄膜 的技术。上个世纪末期，在浮法玻璃和大面积镀膜玻璃技术的基础上，在玻 璃的表面上进行改性的技术己成为全世界的研究重点，在浮法玻璃上镀制具 有低辐射性的薄膜成为目前最流行的玻璃表面处理技术。 现代汽车和建筑中，追求大面积采光窗设计己成为一种不可抵挡潮流， 以及一些生活必备的设施如温室都需要具备良好的隔热、保温和采光两大必 备的功能。采光材料一般选择大面积玻璃，但是一般的浮法玻璃的隔热、保 温性能不慎理想，最打的缺陷是无法抵挡红外线的穿透，最后的结果：在冬 天，房屋内和车内的热能以红外辐射的方式穿透窗玻璃散失到室外，致使屋 内的温度降低；在炎热的夏天，玻璃无法阻挡房屋外和车外热则会以传导到 室内，致使室内的温度升高，变的非常的热。所以，如何才能是具有采光功 能的浮法玻璃具有隔热、保温功能已成为建造一个适合人们居住的空间的一 个待遇解决的问题。为此，专家们已经做了很多的尝试，设法解决窗玻的固 有缺点。例如使用具有遮蔽阳光的雨蓬、本体具有颜色的玻璃、百叶窗等等， 但是尝试过的方法的效果非常的不理想。目前专家们己成功地开发出了无色 透明具有低辐射性能的玻璃，可以提高玻璃窗隔热的效果，而不影响其透光 性或对光的反射，从而改善窗户的节能效果。 在浮法玻璃的表面镀制一层具有高的可见光透过率，并且能反射红外线 的薄膜可以得到低辐射玻璃，即l o w e 玻璃。l o w e 玻璃具有隔热、保温 功能，并且能延缓室内的家具和设旋老化速度，具有装饰性和功能性双重功 能的新型建筑装饰玻璃 2 】。此类低辐射薄膜具有如下特点：a 、具有宽带隙 高掺杂半导体薄膜：b 、纳米级金属薄膜，有比较高的的可见光透过率；c 、 金属膜为功能膜的多层膜。现在应用最多的是第三类薄膜1 3 j ，对于第二类单 层金属薄膜而言，在理论上可以满足性能要求，可是要为了满足高红外线反 射，又有满足高可见光能透过，其的厚度需要薄至纳米级，对这样薄的金属 薄膜，很容易在空气氧化，所以一定要其他的膜层对其进行保护，于是就构 成第二种的金属膜为功能膜的多层膜的结构，除了作为三明治夹心的金属膜 起到透射可见光和反射红外的特征外，可以针对应用的不同，对其它膜层进 行调整，以整合其它特征，比如增透、导电、耐磨、防水等。所以，低辐射 玻璃薄膜还可以拓展其功能，用到生活中的方方面面。 西南科技大学硕士研究生学位论文第：页 1 1 低辐射薄膜的原理 太阳是地球最近的恒星，是一个炽热的大火球。地球绝大部分的光均来 源于太阳，它的表面的温度约为6 0 0 0 ，它不断地把巨大的能量传送到地 球上来。到达地球的太阳光的波长大约在1 5 0 4 0 0 0 n m ( 图1 1 ) 之间。在这 段波长的太阳光包括紫外光线( 3 8 0 n m 以下) 、可见光( 3 8 0 , - - 7 8 0 n m ) 、 红外光( 7 8 0 n m 以上) 。太阳光的能量( 图1 2 ) 主要分布在可见光区和红 外光区，前者占太阳辐射总量的4 7 ，后者占51 。传送到地球的紫外光 的能量只占2 。投射到地球表面上太阳光能量的9 8 的波长在3 0 0 2 5 0 0 n m 之间，恰好此波长范围是浮法玻璃透过率最高的区域【3 】。 图卜1 太阳辐射光谱1 f i g 1 1s p e c t r u md ia g r a mo fs u ne m is s iv i t y 根据w i e n sd i s p l a c e m e n tl a w ，物体的电磁辐射峰值波长入m a x 与物体 自身的绝对温度成反比，且满足公式： 五：2896000(nmk)max ( 1 1 ) 以= ll - l ， 丁( k ) 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 浮法玻璃对太阳光谱范围内的所有光具有高透过性，当太阳光照射时， 直接透过玻璃，加热屋内的物体；但是却不能直接透过来自热物体的远红外 辐射，只能在其表面吸收远红外线辐射，吸收的热量将玻璃加热，然后再通 过玻璃的辐射和玻璃两侧的空气以热交换的方式将热量散发出去。为了减少 这种热量散逸，最有效的方法就是在玻璃表面镀制一层具有低辐射性能的薄 膜，称为l o w - e 膜，它对红外辐射有较高的反射能力，同时也意味着在薄膜 中含有的任何能量，作为辐射散发出去是困难的。 兰 耋 嬖 专 毒 w i v 帅g m ，n 嫩 图1 2 普通l o w - e 玻璃太阳光谱图4 】 f ig 1 2s u ns p e c tr u md i a g r a mo t ：c o m m o n l o w eg ia s s 如图1 2 所示，t g l 。，表示的是在光谱中浮法玻璃的透过率曲线，而 r g l 。则表示浮法玻璃的反射率曲线，太阳光谱在细虚线所围起来的范围部 分，而可见光区域位于图中左边的两条竖线的范围内。粗虚线t l o w e 代表了 l o w e 玻璃的透过率曲线，从图1 1 可看到，l o w e 玻璃的透过率曲线基本 与太阳光谱相一致，在可见光区有很高的透光率，而粗实线r l o e 代表是 l o w e 玻璃的反射率曲线，与透过率曲线相对应，在可见光区内反射率很低， 过了可见光区后反射率开始迅速上升，能够有效地阻挡红外光的透过。浮法 玻璃与l o w e 玻璃在o - 2 5 0 0 n m 波长范围内的光学透过率，如图1 2 所示。 10 0 7 5 r 5 0 2 5 0 w a y e l e n g t hn m 图卜3 浮法玻璃与l o w - e 玻璃透过曲线 f i g 1 3 t r a n s m is s i o r lc u r v eo ff i o a u l o w eg ia s s 如图1 3 所示，浮法玻璃在在太阳光谱中，具有很高的透过率，而l o w e 玻璃则只在可见光范围有高透过率，在红外波段具有较低的透过率，高反射 率，从而可以解 释红外光辐射透过玻璃所带来的热量问题，即隔热、保温性能。 l o w e 玻璃的隔热性能一般采用比辐射率o k 值评价，o k 的计算公式 ( 1 2 ) ，此值愈小，绝热效果越好。 瓯= l g ( 五) x p ( 2 ) ( 1 2 ) 式中o k 可以用j i s 3 1 0 6 来定义【5 】，入为入射光的波长，g ( 入) 为绝对温度 2 9 3 k 时，普朗克热辐射光谱分布的相对值，p ( 入) 为反射率。公式( 1 2 ) 表示辐射热源的部分电磁波被玻璃吸收后，玻璃吸收的电磁波然后以热能形 式向外界辐射的比率就是比辐射率。 l o w e 玻璃所吸收的热以电磁波的形式在玻璃内传播，到达玻璃金属薄 膜之间的界面，在此界面上，热能再以电磁波形式向外辐射，有金属薄膜反 匿南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 射。公式( 1 2 ) 表示，被镀制到玻璃表面的红外区域的反射率愈高，热的 辐射愈小，绝热性能愈好【5 j 。研究表明：某些足够薄的金属薄膜，在可见光 区的反射率低，所以将金属薄膜镀在玻璃的表面制成低辐射玻璃，并不会影 响玻璃的透明度，但由于金属薄膜在红外区具有的高反射率却可以岳的高绝 热性能。文献对金属薄膜在红外区域的高反射率和在可见光区域的低反射率 的行为机理进行了研究j 。研究结果总结如下： 电磁波射入物体时，由于电磁波的磁场，在物体的表面层的垂直于磁场 的方向上产生感应电流，这种感应电流形成波源，在感应电流的周围连续地 发生磁场以及与磁场垂直的电场。这种向电磁波到来方向辐射的现象就是电 磁波反射。 再者，阐述导电膜在什么状态的电子能承担感应电流，导体中的电子密 度由于热的波动而产生稀疏部分，发生使分布返还成均匀状态的电场。凭借 这种电场，电子向密度小的地方移动。但是由于这种惯性，电子会行进过猛， 其结果产生电子振动。这种振动叫等离子振动，等离子频率( w d ) 可由公 式( 1 3 ) 定义。 州鬻广2 3 ， 式中m 卑表示导带中的自由电子的有效质量，n f 表示自由电子密度，eo 表示真空的电容率，q 表示电子电荷。 当入射光的频率大于会属等离子频率时，在等离子振动的一个周期中， 射入导体的电磁波电场的极性几度发生变化，因而即使照射电磁j 支，导体表 面层的电场也不发生偏置，因为不发生感应电流，所以电磁波完全透过导体。 当入射光的频率大于金属等离子频率时，在等离子振动的一个周期中，射入 导体的电磁波电场的极性最多只变化一次，因此，追随射入电场的频率，部 分等离子振动电子向一个方向加速移动，形成感应电流。其结果是导体发射 出于射入电磁波频率相等的电磁波，这些电磁波就形成了反射率，因而，感 应电流的责任就是加速等离子振动向一个方向移动。基于这种等离子振动， 以典型低辐射膜金属膜银膜为例，厚度与反射率如图1 3 所示。 因为银薄膜的等离子振动数为1 3 8 n m ，所以若按上述模式推测，反射率 应该从波长13 8 n m 附近开始急剧升高。如图1 4 中实线所示，当银膜厚度为 1 0 0 n m 时，反射率 在3 5 0 n m 波长处开始升高，在大于3 5 0 n m 的波长后接近完全反射，这种改 变被称作银窗口现象，不能用等离子振动现象解释。同时从图1 4 还可看若 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 把银薄膜的厚度减薄到1 0 n t o ，反射率的升高会变得缓慢，变得能透过可见 光线。这种现象是由于银薄膜变薄到一定程度时，空气银薄膜界面的表面 反射波和银薄膜基板玻璃界面的背面反射波的相位就接近豇弧度，背面反 射波的衰减减少引起的。低辐射玻璃利用这种现象，将氧化物等干涉膜叠加， 提高可见光的透过率，同时反射大量红外线。 1 口0 7 5 r 5 0 2 5 0 6 0 0 w a v e l e n a t hn m 9 0 0 图卜4 膜厚对银薄膜的反射特- 性的影响 f ig 1 4im p a c to fc o a t ；n gt h ；c k n e s so rr e fie c tjn gc h a r a c t e rjs tic so fa gc o a tjn g 1 2l o w - e 玻璃的分类 l o w ，一e 玻璃有很多种，命名也不尽相同。在此依生产方法、应用两方面 来进行分类，简单介绍如下： 1 2 1按生产方法的分类 l o w e 玻璃的生产方法有两种，即在线法和离线法。 1 2 1 1 在线l o w - e 玻璃制备方法 在线l o w e 玻璃是指在浮法玻璃生产线的锡槽、过渡辊或者退火窑前 西南科技大学硕士研究生学位论文 第，页 端，反应温度在4 0 0 7 0 0 。c 之间镀膜完成，如图1 5 所示。膜层材料主要是 半导体的氧化物，此类l o w e 玻璃的的颜色仅有青色和无色两种。在线 l o w e 玻璃的最突出的代表是由英国的皮尔金顿公司开发成功的k 玻璃， 其膜层由氧化硅膜和氧化铬膜组成，具有良好的机械性能【7 儿引。此后，美国 的p p g 和法国的s a i n t g o b a i n 公司也掌握了类似的工艺。美国p p g 公司研 制出两款l o w e 玻璃，一种是膜层牢固的热解沉积膜s u n g a t e 5 0 0 l o w e 玻璃【9 】，膜层结构如图1 6 左图所示，其中的渐变层用于消除颜色 反射；另外一种是采用粉末喷涂法将二氯化二丁锡粉末喷涂在热玻璃表面 上，通过沉积一层s n o ：f 膜的l o w e 玻璃，参见1 6 右图所示。法国 s a i n t g o b a i n 公司采用在线镀膜工艺金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 法 【1 0 】，制备出一种能提高红外线反射率的l o w e 玻璃。 g 激翳 一厂一= 2 5 虻 t ) o s s i ：l ( , p z s 0 j o nt o 0 v ( ) c o r - - q l l 。gs y s ：e m s s t a c k c j t t l n 菩 4 。c 毒。( 虻 e c o o l i n g l a o a t i g 图卜5 在线镀膜工艺流程图 f ig 1 5p r o c e s sd r o c e d u r eo f0 1 3 一i n ec o a t in g s n 0 ：f 渐变层 玻璃 s n 0 ：f 玻璃 s n 0 ： 图卜6 在线低辐射膜结构 l o 别 r a wr l r l a t e r 瞎 1 2 1 2 离线l o w - e 玻璃制备方法 离线l o w e 玻璃是指浮法玻璃下线以后，再采用真空蒸镀、磁控溅射和 化学镀膜等方法制备l o w e 玻璃。最初的离线l o w e 玻璃采用真空真空蒸 镀法制备，此法投资少、见效快，但是膜层不均匀、牢固性差，耐磨性等机 械性能不是很理想】。化学镀膜法投资少，成本低，操作简单，易于大面积 西南科技大学硕士研究生学位论文第s 页 生产，而且机械性能和化学稳定性也比较好，但是生产出来的l o w e 玻璃 的膜层厚度和均匀性很难控制【l2 i ，所以没有实现工业化。 磁控镀膜技术用于镀制建筑玻璃的时间相对其它方法较迟，但它己发展 成为生产镀膜玻璃最主要的方法 1 3 4 儿” 。磁控溅射法生产l o w e 玻璃时， 将膜层材料一层一层地溅射到浮法玻璃表面形成薄膜。膜层中功能膜是银， 其它的膜层用于加强连接、保护银层、提高光学性能和调节颜色等作用。采 用磁控溅射法生产l o w e 玻璃时，是将浮法玻璃放入一个内部有多个溅射 靶材的真空室内，阴极靶材溅射出靶材原子，沉积至浮法玻璃表面，从而制 备出l o w e 玻璃圳。 磁控溅射法生产l o b ，e 玻璃分为直流磁控溅射法、射频磁控溅射法和 中频反应孪生靶材溅射法。直流磁控溅射是最常用的方法之一，适用于靶材 是金属导体的情况。ea n d o 等用直流反应磁控溅射法生产出了a 1 d o p e d z n o a g a 1 d o p e dz n o 的l o w e 玻璃，但是该方法容易出现阳极消失现象和 阴极中毒不刚1 7 1 引，为了解决这个缺陷，可采用中频交流磁控溅射法，提高 磁控溅射过程的稳定性。为了得到致密性更佳的膜层，获得质量更好的薄膜， 可采用射频磁控溅射法 旧】，此方法主要用于靶材不导电的情况，也可以应用 于导电靶材。m m i v a z a k i 等采用射频溅射法成功地在浮法玻璃表面镀制了 a 1 d o p e dz n o a g a 1 d o p e dz n ol o w e 膜 2 0 】。另外使用孪生靶材非平衡磁控 溅射【2 】可以很好的提高镀膜的效率，获得高质量的膜层。中频反应孪生靶材 溅射在l o b ：e 玻璃生产过程中用于溅射介质t i o ：应用最多，s z c z y ，b o w ，s k i 等采用此种方法生产出可见光透过率高达8 0 f l , 0l o w e 玻璃卜引。 磁控溅射l o w e 玻璃拥有许多优点，如成膜速度快、生产效率高、生 产面积大、产量高、膜层厚度均匀、色差小、生产过程容易控制、膜层结构 致密、附着力强、膜层理化性能稳定、抗变色性强等等优点。磁控溅射l o b e 玻璃的膜系结构和其他离线膜一样均采用三明治结构，见图1 7 所示，采用银 作为功能膜与其他金属膜相比，具有更高的红外反射系数，同时可见光吸收 率低，可见光透过率比红外线高，并且银的传导性能好，电阻和反射率低， 如图1 7 所示。两侧添加介质膜后，增强了整个膜层的耐划伤能力，耐酸碱 性能优异：膜层组合方便，膜系种类多。两侧的介质膜一般是金属氧化物膜 或者是绝缘膜，内侧介质膜用来提高功能银膜与浮法玻璃表面的附着力同时 用来调节调节膜系光学性能和颜色的作用【2 4 j ；外层介质膜既是抗反射膜也是 保护膜】。另外，在银膜和外层介质膜之间添加层很薄的金属或者合金膜 作为遮蔽层，其作用是防止在反直溅射时金属膜被氧化，同时提高会属和外 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 层介质层的结合率，防止会属膜在溅射过程中凝结成块使其连续化【2 6 1 。 l 0 客o o 、 v p 6 0 孵 晓4 0 2 0 数k tb i k ) 图卜7 几种金属薄膜的反射率曲线图二3 1 fig 1 - 7r e fe c tivit yc u r v eo fs e v e r ai m e t afiim 图卜8 三层膜系结构 f ig 1 8s tr u c t u r eo ft h r e e ia y erc o a t in g 1 2 2 按性能特征的分类 依据l o w - e 玻璃的可见光透过率可以分为适用于高纬度的告- 一 v j - 率 l o w - e 玻璃和适用于低纬度的遮蔽型( 低透过率) l o w e 玻璃。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 ( ) 页 1 2 2 1 适用于高纬度的高透过率l o w - e 玻璃 由于我国北方地区，同照时间短、温度低；冬季时间长，夏季时间短的 特点，应采用高透过率的l o w e 玻璃。此类l o w e 玻璃可以将冬天屋内的 暖气和其他设施发出的热量反射到室内，进而获得比较好的保温效果，而且 在白天允许太阳光最大限度地透过l o w e 玻璃进入屋内，确保充分获得太 阳辐射的能量，提高屋内的温度，进一步降低了低温天气时候的采暖费用【2 7 1 。 1 2 2 2 适用于低纬度的遮蔽型l o w e 玻璃 商业建筑一般能从人、灯光和办公设施上产生许多热量，其回收热在冬 天能对建筑一天2 4 小时供热，因此在大多数商业建筑中几乎不需要太阳能 供热，尤其在夏天。热带和亚热带气候的许多住宅建筑也都有以上相同的情 况。因此主要考虑尽量减少太阳光照射到室内，采用遮蔽性l o w e 玻璃可以 解决此类问题。首先是吸收或反射了部分可见光，再利用l o w e 固有的特性 将红外线反射出去，使得大量的太阳辐射被阻挡在室外。遮蔽性l o w e 玻璃 具有阻挡强烈阳光的效果，隔热性能好，对屋外的红外线反射率高，因此有 效降低了空调的负荷 2 川。 1 3 低辐射薄膜的特点 l o w e 玻璃的种类繁多，但最基本的功能主要有如下三大特点，分别介 绍如下。 1 3 1 光热特性 1 3 1 1l o w - e 玻璃的光选择性 建筑的玻璃采光门窗一直是隔热保温的薄弱环节。在炎热的夏天，太阳 光谱中的热量分布主要在3 0 0 n m 到7 8 0 n m 的可见光区和7 8 0 n m 到3 0 0 0 n m 的红外区【3 1 ，l o w e 玻璃能将大量的红外辐射反射出去，仅允许可见光通过， 具有良好的太阳光选择性。窗户安装l o w e 玻璃后，能遮挡( 反射、吸收) 太阳光中的主要携带者一红外线( 波长在7 8 0 n m 到3 0 0 0 n m 之间的光线，见 图1 9 ) 进入室内，从而降低室内温度，可节约空调费用5 0 以上【：引。 西南秘技大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 图卜9 太阳辐射和黑体辐射与温度的关系 fig 1 9t r a n s m is si0 1 3dia g r a l no fgla s st odif f e r e n tr a dia tio nr e s o u r c e s 1 3 1 1l o w - e 玻璃的隔热保温性能 对高纬度的温带和寒带地区，建筑功能主要考虑的室减少室内热能的散 失。建筑物周围有维护结构，建筑物最易散热的位置是采光部分，其散热量 占总散热量的6 0 以上【：9 1 ，因此建筑节能的重要环节也在于窗。而热量主 要是以波长大于3 0 0 0 n m 的红外光线的热辐射，见图1 9 的形式从窗户向外 散失的。虽然浮法玻璃的传热系数还是比较小，且对远红外线辐射几乎也是 不透明的，但由于浮法玻璃对热辐射的吸收率达9 0 以上，所以浮法玻璃的 辐射率很高，故它会以吸收远红外线热，然后以再辐射或与周围空气热交换 的形式向外散失热量。因此，提高玻璃表面对远红外线的反射能力则可减少 热散失，l o w e 玻璃恰恰能解决这个缺点。l o w e 玻璃的热传导系数甚至低 于10 0 m m 混凝土墙体，也就是说装上l o w e 玻璃的中空玻璃后，隔热性能 优于1 0 0 m m 混凝土墙l 州j 。 1 3 1 3 降低露点 在严寒地区的冬天，经常可以看到浮法玻璃门窗出现结露现象，致使靠 近门窗时感到不舒适。采用l o w e 玻璃的作为窗玻可以避免结露不良，增 加门窗附近的舒适度。从表1 1 可以看出，在室内温度2 0 。c 、湿度是6 0 时，采用l o w e 中空玻璃作为窗玻时，结露的温度降低到2 6 ，远低于浮 法中空玻璃和浮法单片玻璃。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 2 页 表卜1 不同玻璃的结露温度 t a b l e1 1f r o z e nt e m p e r a t u r eo fd i f f e r e n tg ia s s 窗玻璃结露温度 6 m m 玻璃 6 m m + 6 m m 空气层厚度+ 6 m m 玻璃 6 m m l o w e 玻璃+ 6 m m 空气层厚度+ 6 m m 2 8 2 6 1 3 2 装饰控光功能 人的眼睛可以看到的光的波长范围为3 8 0 n m 一7 8 0 n m 的可见光区。控光 功能的区域也在可见光区域，体现在两个方面：第一，适合的透过率，使 l o w e 玻璃拥有单向可见功能( 防窥见性能) ，即起到帷幕的作用，允许可 由内往外观看，没有任何的阻隔感，而从外不能看到室内；第二是依据人们 的爱好和屋内需要的采光多少来设计并确定太阳光进入室内，调节屋内的亮 度。另外，装饰性也是l o w e 玻璃独具的外观特性，它可以调节可见光的 反射，使l o w e 玻璃具有各种反射色彩，目前其色彩已经开发出很多种， 客户可根据自己的喜好进行选择。 1 3 3 环保功能 太阳光谱中含有一定量的紫外光，它是各种物品褪色老化的主要根源 12 1 ，l o w e 玻璃可反射或吸收阳光中的紫外线，能延缓室内的衣物家具褪色 和大多数有机装饰材料的老化速度。同时在减少照明、降低室内取暖消耗和 空调制冷的能量消耗，可以有效地减少c o ! 与s o ：的排放量，减少对空气的 污染，有利于环境保护，因此应该广泛地应用于建筑和汽车工业中。 以上几项功能是人们对l o w e 玻璃的基本要求，也是衡量l o w e 玻璃 综合性能的指标，但是并不是所有的l o w e 玻璃均能很好的同时具备上述 各项功能，而是往往有明显差异。造成这些差异的原因是很多方面的，除了 各生产厂家生产环节会造成一些差异外，其基本的差异则是生产工艺参数决 定的。 1 4 国内外研究现状 上个世纪8 0 年代初期，在发达国家建筑用l o w e 玻璃技术有了很大的 发展，采用磁控溅射法生产的l o w e 玻璃进入实际应用阶段。l o w e 玻璃 问世时间不长，但其性能早已有了很大的改善，生产技术也日趋成熟。到了 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 8 0 年代末期，在美国，l o w e 玻璃窗已经占玻璃窗市场1 4 以上的份额，到 2 0 0 4 年，l o w e 玻璃窗已占到2 ，7 3 。表1 2 ，1 3 列举出了美国、欧洲各年 l o w e 玻璃的年产量，从表中可知，在美国和欧洲，l o w e 玻璃的年产量 非常高，且每年都以很大的递增速度增产。 表1 - 2l o w - e 玻璃年产量( 美国) t a bie 卜2o u t p u to fl o w egia s s ( u ni t e ds t a t e s ) 表1 - 3l o w - e 玻璃年产量( 欧洲) t a bj e1 - 3o u t p u to fl o w egj a s s ( e u r o p e ) 1 9 7 5 年，日本研制出具有较好光学性能的t i o ：a g t i 0 2 膜，它将红外辐 射再利用，反射回到灯丝上，作为灯丝再加热的热源加以利用；19 8 3 年开 发了一种可形成8 12 层t i o ：s i o ：膜的高效率照明用单灯头卤灯，节省电力 大约为1 5 3 。 19 9 6 年，德国政府通过了有关建筑节能强制法规( w a r m e s c h u tz v e r o r d n u n g ) 【13 1 ，要求所有的建筑物都必须使用l o w - e 玻璃替代浮法玻璃以减少热 损失而造成的能源浪费。2 0 0 1 年6 月，欧共体通过新节能条例生效，要求 此后的新建和改建建筑物都采用l o w e 玻璃，使得l o w e 玻璃需求量急剧陡 升，当年全欧洲的l o w - e 玻璃需求量高达6 5 0 0 万m ? 。此后比利时、奥地利、 瑞士等国也相继出台了类似的法规。美国实施了能源之星节能计划，l o w - e 玻璃的需求量也急剧上升( 3 2 。据信息，在今后的2 5 年内，英国、法国、 意大利等国也将出台相应的节能法规。随着各国的重视及相继立法，低 l o w e 玻璃的需求量还将大幅嚏堂塑上这些堑自9 堇篚法规的出塑! 垂壁给 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 l o w e 膜的研究丌发和真空镀膜设备的市场开拓带来了新的机遇【33 1 。 1 9 8 0 年德国莱宝公司推出了第一条以银为功能膜的l o