节能玻璃的应用及开发

1、节能玻璃的应用及开发1引言1.1节能玻璃出现的背景随着生产力的迅猛发展，人类在征服自然、改造自然的斗争中取得了日新月异的成就，人类文明也取得了长足的进步。然而全球范围内科学技术的突飞猛进和人们物质生活水平提高也直接导致现有能源日益枯竭，目前，能源问题已经成为当今世界几大主题之一。在没有获得有效的新的替代能源突破之前，节能便被提上世界各国的议事日程。其中占总能耗比例约为五分之一的建筑能耗更是引起科学家的广泛关注。而建筑能耗的50%之多是通过门窗散失掉的，因此减少玻璃门窗的能量损失对于建筑节能具有非常重要的意义。自70年代发生石油危机以来，建筑节能产品的应用成为国际建筑行业的主流。在美国，节能玻璃

2、门窗的使用量占所有玻璃门窗用量的82%；而德国政府自70年代后期即立法，明确规定不使用节能玻璃的新建楼房不批准建设。与发达国家相比，目前我国建筑物仍然存在能耗高、能效低、污染严重等问题，据统计我国建筑物能耗占总能耗的比例上升到27%。而玻璃结构作为建筑物节约能源的薄弱环节，追求建筑的现代感外观与有效节能之间总是存在不易调和的矛盾，因此，近年来我国政府也开始重视建筑节能问题。1998年我国开始实施的节约能源法规定“建筑物的设计和建造应当采用节能型建筑结构材料、器具和产品，提高保温隔热性能，减少采暖、制冷、照明的能耗”。 因此，具有优良的节能保温性能的各种镀膜玻璃在这种形势下脱颖而出。1.2国内外

3、对节能玻璃的研究现状1.2.1国外研究现状节能玻璃的发展历史可追溯到1835年，那时的欧洲人就开始用银镜还原法生产镜面膜玻璃了。二十世纪初，欧洲出现了增透膜及反射膜玻璃。1970年以后，随着真空镀膜技术及浮法玻璃在线喷镀技术的迅速发展，出现了大量的镜面膜、热反射膜、低辐射膜、导电膜等镀膜玻璃。低辐射膜玻璃是上世纪七十年代能源危机所造就的产物。到1990年，美国市场的热反射膜及低辐射膜玻璃的销售量已达到600万900万平方米。1.2.2国内研究现状我国节能玻璃的发展，与先进国家相比较慢，直到1990年以后才得以迅速发展起来。虽然我国节能玻璃技术的研发起步较晚，但是随着我国科学技术的发展，节能玻璃

4、的生产技术工艺日臻成熟，产品品种和功能日渐增加，应用范围日益扩大，已成为了玻璃深加工的主要产品之一。目前，我国镀膜玻璃生产工艺有离线法镀膜和在线法镀膜两种。其中离线镀膜法主要有真空阴极磁控溅射法和溶胶凝胶浸镀法两种；在线镀膜法主要有固体粉末喷涂法和化学气相沉积法(CVD法)两种。其产品主要有热反射膜玻璃、低辐射玻璃(Low-E玻璃)、自洁净玻璃以及导电膜玻璃(ITO膜玻璃)等。1.3本文研究的目的和意义随着国民经济的高速发展，能源危机在我国显得尤为突出，建筑材料消耗的能源占总能源消耗的五分之一左右，其中50%多的能耗由门窗散失掉，造成了极大的浪费，因此具有节能性能的镀膜玻璃在建筑中有着十分重要

5、的意义和广阔的市场前景。2 玻璃节能的评价2.1 玻璃节能评价的主要参数自然界中热量的传递通常有三种形式：对流、辐射和传导1。由于玻璃是透明材料，通过玻璃的传热除上述三种形式外还有太阳能量以光辐射形式的直接透过。衡量通过玻璃进行能量传播的参数有热传导率及K值（在美国称为U值）、太阳能透过率2、遮蔽系数、相对热增益等3。 2.1.1 K值K值表示的是在一定条件下热量通过玻璃在单位面积（通常是1m2）、单位温差（通常指室内温度与室外温度之差一般10或1K）、单位时间内所传递焦耳数。K值的单位通常是W/m2K。K值是玻璃的传导热、对流热和辐射热的函数，它是这三种热传方式的综合体现。玻璃的K值越大，它

6、的隔热能力就越差，通过玻璃的能量损失就越多。2.1.2 太阳能参数透过玻璃传递的太阳能其实有两部分，一是太阳光直接透过玻璃而通过的能量；二是太阳光在通过玻璃时一部分能量被玻璃吸收转化为热能，该热能中的一部分又进入室内。通常有三个概念来定义： (1)太阳光透射率：太阳光以正常入射角透过玻璃的能量占整个太阳光入射能的百分数；(2)太阳能总的透过率：太阳光直接透过玻璃进入室内的能量与太阳光被玻璃吸收转化为热能后二次进入室内的能量之和占整个太阳光入射能的百分数；(3)太阳能反射率：太阳光被所有表面（单层玻璃有两个表面，中空玻璃有四个表面）反射后的能量占入射能的百分数。2.1.3遮蔽系数遮蔽系数3是相对

7、于3mm无色透明玻璃而定义的，它是以3mm无色透明玻璃的总太阳能透过率视为1时（3mm无色透明玻璃的总太阳能透过率是0.87）其他玻璃与其形成的相对值，即玻璃的总太阳能透过率除以0.87。2.1.4相对热增益用来反映玻璃综合节能的指标，它是指在一定条件下即室内外温度差为15时透过单位面积（3mm透明，1m2）玻璃在地球纬度30O处海平面，直接从太阳接受的热辐射与通过玻璃传入室内的热量之和。也就是室内外温差在15时的透过玻璃的传热加上地球纬度为30O时太阳的辐射热630W/m2与遮蔽系数的积。相对热增益越大，说明在夏季外界进入室内的热量越多，玻璃的节能效果越差。对于玻璃真实的热增益是由建筑所处的

8、地球纬度、季节、玻璃与太阳光所形成的夹角以及玻璃的性能共同决定的。影响热增益的主要因素是玻璃对太阳能的控制能力即遮蔽系数和玻璃的隔热能力。 相对热增益特别适合于衡量低纬度且日照时间较长地区向阳面玻璃的使用情况，因为该指标是在室外温度高于室内温度时室外热流流向室内且太阳能也同时进入室内的情况下而给定的。对于不存在太阳能辐射部位使用玻璃时，反映玻璃保温能力的指标只有K值。3 节能玻璃的种类 随着技术的不断进步玻璃品种越来越多，目前主要以节能为目的的品种有吸热玻璃、镀膜玻璃、中空玻璃、真空玻璃等4。 3.1吸热玻璃 吸热玻璃是在玻璃本体内掺入金属离子使其对太阳能有选择地吸收同时呈现不同的颜色，吸热玻

9、璃的节能是通过太阳光透过玻璃时将光能转化为热能而被玻璃吸收，热能以对流和辐射的形式散发出去从而减少太阳能进入室内。3.2镀膜玻璃 镀膜玻璃在建筑上的应用主要有两种，即热反射玻璃5（也称太阳能控制玻璃）、低辐射玻璃。 热反射玻璃是在玻璃表面镀上金属、非金属及其氧化物薄膜使其具有一定的反射效果，能将太阳能反射回大气中而达到阻挡太阳能进入室内使太阳能不在室内转化为热能的目的。太阳能进入室内的量越少，空调负荷也就越少；热反射玻璃的反射率越高说明其对太阳能的控制越强，但是玻璃的可见光透过率会随着反射率的升高而降低，影响采光效果，太高的玻璃反射率也可能出现光污染问题。 普通平板玻璃的辐射率较高，通常为0.

10、84。低辐射玻璃是通过在玻璃表面涂敷低辐射涂层使表面的辐射率低于普通玻璃从而减少热量的损失来达到降低采暖费用实现节能目的。衡量低辐射玻璃节能效果的重要指标是辐射率。辐射率越低通过玻璃表面发生的辐射损失越少，玻璃的节能效果越好。3.3中空玻璃中空玻璃6由于在两片玻璃之间形成了一定的厚度并被限制了流动的空气或其他气体层从而减少了玻璃的对流和传导传热，因此它具有了较好的隔热能力。例如由两片5mm普通玻璃和中间层厚度为10mm的空气层组成的中空玻璃，在热流垂直于玻璃进行热传递时对流传热，传导传热、辐射传热各约占总传热的2%、38%、60%，同时中空玻璃的单片还可以采用镀膜玻璃和其他节能玻璃，能将这些玻

11、璃的优点都集中于中空玻璃上，也就是说中空玻璃还可以集本身和镀膜玻璃的优点于一身，从而发挥更好的节能作用。如用一层5mm厚、表面辐射率0.2的低辐射玻璃和一层厚度为5mm的普通玻璃组成的空气层为9mm的中空玻璃其K值月约为2.1W/m2K。如果使用辐射率为0.08的低辐射玻璃并且将空气层中的空气用氩气置换空气层的厚度选择12mm，其K值可以达到1.4W/m2K。如果在中空玻璃的外片选择热反射玻璃他还具有控制太阳能的作用。 3.4真空玻璃 真空玻璃是目前节能效果最好的玻璃，真空玻璃是在密封的两片玻璃之间形成真空从而使玻璃与玻璃之间的传导热接近于零，同时真空玻璃的单片一般至少有一片是低辐射玻璃。低辐

12、射玻璃可以减少辐射传热，这样通过真空玻璃的传热其对流、辐射和传导都很少，节能效果非常好，但目前国内尚未形成生产能力。4节能玻璃的节能原理节能型建筑玻璃应该要能够控制太阳辐射和黑体辐射。太阳辐射按不同波长可分为紫外、可见、红外三个区域，其能量主要集中在0.38m-2.5m可见近红外区内，它们占整个太阳辐射的97%之多；对于一个建筑物，其室内的热量来源除了通过门窗玻璃进入室内的太阳光产生的热量以外，房间的取暖设施及房间的物体发出的热量，也就是所谓的黑体辐射，也是很重要的一部分热量，这一部分热能在寒冷的冬季尤为宝贵。图4.10为太阳辐射和黑体辐射的能量分布图7。图4.10 太阳辐射和黑体辐射能量分布

13、示意图低辐射玻璃的绝热性能一般用辐射率又称发射率表示，它是指实际物体的辐射力与同温度条件下黑体辐射力的比值，它是物体表面的重要辐射特性。根据基尔霍夫定律可知8，=A，其中A为辐射体的吸收率，为辐射角。假设辐射角垂直于玻璃表面，不考虑膜层内的多次反射，镀膜玻璃表面的辐射率可表示为： (1)其中d为膜厚，为吸收系数，R为反射率，可表示为 (2)此处n为折射率，K为消光系数，它与吸收系数的关系为。对于高反射面，R1，并且，可得，因此低辐射玻璃在中远红外光波段，即黑体热辐射区辐射率很低。低辐射膜本质上就是一种透明导电膜，在可见光有良好的透光性，对红外光有很高的反射性，它的光学特性与电学性能密切相关。一

14、般，电磁波一射入散射体，由于电磁波的磁场作用，在散射体的表面层，垂直于磁场方向会产生感生电流。这种感生电流形成波源，在感应电流周围连续的发出磁场和与其垂直的感生电场。这种向电磁波到来方向辐射的现象就是电磁波的反射。导体中的电子密度由于热的波动而产生稀疏部分，发生使其还原状态的电场。凭借这种电场，电子向密度小的地方移动。但是由于惯性，电子会产生振动，这就是等离子体振动。由Drude理论9可知，自由电子吸收的最大等离子波长可用下式表示： (3)式中，N是自由电子浓度；、是真空中及不存在自由电子时膜的介电系数； ，为电子迁移率，m*为导带中目由电子有效质量，e为电子电荷。对光波起截止作用，位于可见近

15、红外光处。膜对波长较大的红外光高反射；对波长较小的可见光高透射。红外反射分光曲线从接近的短波长端向长波长端呈迅速上升趋势，值越大，其上升速度就越快，曲线坡度越陡10。这种低频和高频反射率情况的突变为等离子共振。在光波高频或短波辐射的情况下，由于电场变化太快，等离子体跟不上响应，因此出现对可见光波段的透过。而在低频或长波长辐射情况下，电场变化比较慢，等离子对电场有响应，因此对红外的反射就高。对于满足的长波高反射膜，红外反射率RIR，随电阻率P的减小而增大。另外，在膜非常薄时，方块电阻Rs越小，红外反射率RIR就越大，并可用公式近似表示： RIR=(1+0.0053 Rs )-2。5节能镀膜玻璃的

16、制备工艺镀膜玻璃的生产方法很多，主要有真空磁控溅射法、真空蒸发法、溶胶凝胶法以及化学气相沉积法等。磁控溅射镀膜玻璃利用磁控溅射技术可以设计制造多层复杂膜系，可在白色的玻璃基片上镀出多种颜色，膜层的耐腐蚀和耐磨性能较好，是目前生产和使用最多的产品之一。真空蒸发镀膜玻璃的品种和质量与磁控溅射镀膜玻璃相比均存在一定差距，已逐步被真空溅射法取代。化学气相沉积法是在浮法玻璃生产线上通入反应气体在灼热的玻璃表面分解，均匀地沉积在玻璃表面形成镀膜玻璃。该方法的特点是设备投入少、易调控，产品成本低、化学稳定性好，可进行热加工，是目前最有发展前途的生产方法之一。溶胶凝胶法生产镀膜玻璃工艺简单，稳定性也好，不足之

17、处是产品光透射比太高，装饰性较差。5.1真空磁控溅射法溅射镀膜法是一种物理气相沉积法(PVD法)，所谓溅射就是指惰性气体在直流高压或高频发生电离，产生辉光放电等离子体，由电离产生的荷能粒子(如正离子、电子等)轰击靶材，使靶材表面原子或原子团逸出，逸出的原子在工件的表面形成与靶材成分相同的薄膜。在镀膜玻璃领域中较为典型的溅射技术是真空溅射镀膜法和真空磁控溅射镀膜法11-13。(1) 真空溅射镀膜法从1880年起生产镜子，就使用了两极管溅射，经过不断发展形成了今天真空溅射镀膜技术，即在真空条件下电离惰性气体(如氩气)在阳极上加高负电压，一般在2000-5000伏之间，惰性气体在电场的作用下产生辉光

18、放电等离子体。此时以金属、金属氧化物、合金作为阴极靶材，气体在电场作用下，电离产生正离子和电子，正离子高速轰击阴极靶材使金属原子溅射到玻璃基片表面形成薄膜。这种生产方法由于成膜速率较低，加工速度缓慢，不适应商业性大规模生产，如今己很少采用这种生产方法。(2)真空磁控溅射镀膜法溅射技术的最新成就是磁控溅射，是建立在气体辉光放电基础上的一种薄膜制备技术，磁控溅射按工作电源的不同可分为直流(DC)磁控溅射和射频(RF)溅射两种。图5.10是磁控溅射设备示意图。前面所述的真空溅射系统，主要缺点是溅射速率较低，特别是阴极溅射，因为它在放电过程中只有0.30.5%的气体分子被电离。为了在低气压下进行高速溅

19、射，必须有效的提高气体的离化率。磁控溅射由于引入了正交电磁场，使离化率提高到56%，于是溅射速率比三极溅射提高十倍左右。对许多材料，溅射速率达到了电子束的蒸发速率。美国Aicro公司在七十年代中期发明并采用了平面磁控电子阴极真空镀膜技术，引起了世界玻璃工业界瞩目。德国利伯德公司(LH公司)也研究并发展了类似的方法。磁控溅射技术目前在镀膜玻璃的大批量生产中被广泛应用。该技术的主要优点有：具有很高的镀膜速度，与直流溅射相比，提高了30-100倍。适用于多种涂覆材料，包括各种合金及化合物。适用于各种不同的基材和形状，如曲面、塑料、瓷、金属。镀膜基材尺寸可以大到3.26米。工艺重复性好，可控性好。但是

20、磁控溅射存在三个问题：第一，不能直接地实现强磁性材料的低温高速溅射，因为几乎所有磁通都通过磁性靶子，所以在靶面附近不能外加强磁场，如果一定要在强磁性材料上镀膜，可以预先使强磁性材料达到磁饱和，这样磁力线也能穿过，同样能达到磁控的目的；第二，绝缘靶会使基板温度上升；第三，靶子的利用率低(约30% )，这是由于靶子侵蚀不均匀的原因；第四，就是设备昂贵，投入大，生产成本高。现在市场上能提供的建筑玻璃镀膜生产技术，有连续生产的也有不连续生产的。用溅射法镀制薄膜，在原则上可以溅射任何物质，因此，溅射法在目前生产大面积薄膜技术中占有一席之地，而且它还能很容易地得到多层膜或者彩色膜。但是溅射法生产的镀膜玻璃

21、成本较高，主要用于标志性建筑和高档写字楼以及高档宾馆，这就促使人们去探索新的工艺技术来降低成本。图5.10 磁控溅射设备示意图5.2真空蒸发法真空蒸镀法是在真空条件下，把金属合金或金属氧化物加热使其分子蒸发并沉积到玻璃表面，形成涂覆薄膜。这种方法发展较早，设备造价低廉，工艺操作简便，技术难度小，成本较低，但存在一些缺点：一是薄膜的品种受到可蒸发材料的限制；二是进行大面积的玻璃镀膜需要多个蒸发源，这样薄膜的均匀性比较难控制，成品的光学性能和膜的稳定性都不尽如人意，特别是膜层与玻璃基板间的附着很不牢固，产品使用寿命短。因此除了结合力和稳定性较好的薄膜外，很少采用真空蒸镀法技术来生产建筑用的镀膜玻璃

22、的14-15。5.3溶胶凝胶法溶胶凝胶法(Sol-Gel法)是在常温下把无机盐或者金属醇盐溶液溶于溶剂(水或有机液体)，通过在溶剂内发生水解或醇解作用，反应生成物缩合聚集形成溶胶，当玻璃浸溃溶胶后，先在玻璃上形成凝胶，然后再送到热处理炉保温一段时间，控制温度在350-400范围，无机盐或有机金属盐就转变成为金属氧化物薄膜，形成涂覆薄膜。由于元素周期表中的大部分元素都能制成醇盐，故醇盐溶胶一凝胶法镀膜的应用范围很广。目前，Sol-Gel法工艺主要是制造金属氧化物薄膜。虽然这个方法具有制品均匀度高、纯度高、反应过程容易控制等优点，但是它同时也具有成本高、处理时间长、制品易开裂以及无法实现工业化连续

23、生产等不足，因此主要用于实验室样品的制备，在实际生产中应用不多16。5.4化学气相沉积法化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition,简称CVD)是目前薄膜制备技术中使用最为广泛的技术。该方法是采用含有组成薄膜成分的一种或几种化合物作为中间生成物(这些化合物的蒸汽压比该物质单独存在时的蒸汽压高的多)，把这些化合物的气体送入适当温度的反应室内，让它在基板表面上进行热分解或者还原，或与其他气体、固体发生反应，结果在基板表面上生成薄膜。CVD技术是建立在化学反应基础上的，在CVD过程中，只有发生在气相固相界面的反应才能在基体上形成致密的固态薄膜，如果反应发生在气相中，生成的固态

24、产物只能以粉末的形式出现。由于反映过程中气态反应物之间的化学反应以及产物在基体上的析出过程是同时进行的，所以CVD的机理非常复杂。从上个世纪六十年代开始，随着浮法玻璃生产技术的迅速普及，为离线玻璃镀膜提供了大量的优质原片，也为在线沉积各种薄膜提供了良好的条件，因此各种玻璃镀膜技术迅速发展。在浮法玻璃生产线的锡槽和退火窑内，新成形的移动的热玻璃带表面是清洁的，不需要离线镀膜的运输、前处理程序和加热或真空等工序，其特定的气氛和温度为大批量、低成本生产镀膜玻璃提供了良好的基础。可利用的优越条件使得浮法在线玻璃镀膜引人注目，相继出现了电浮法、热喷涂和化学气相沉积等技术。由于在线CVD法制得的低辐射玻璃

25、膜层均匀，热稳定性好，可像普通浮法玻璃那样进行清洗、热弯、钢化、中空和夹层，热弯或钢化后膜面也不会变化，可以在大气环境下单片使用，存储时间不受限制，且生产过程简单，成本低廉，产品规格丰富多样，生产效率高，耗能低，污染相对较少，因此市场竞争优势较明显，成为各大公司竞相开发和引进的技术之一17-18。所谓在线CVD法镀膜技术就是指在浮法玻璃生产线上利用洁净的、高温的、高速牵引的浮法玻璃为基板，将镀膜气体引入反应器，在玻璃基板表面经过沉积、扩散、成膜、解析四个CVD反应过程进行镀膜。镀膜实施部位可以在浮法玻璃生产线的锡槽、过渡辊合或退火窑前端，反应温度在400-700之间。在线CVD法生产的低辐射镀

26、膜玻璃由于其外形美观，控光能力强，己成为现代建筑中不可缺少的、具有独特性能的建筑材料，其投入少、产品附加值高，生产方式灵活。另外，在线镀膜法适应范围广，可用半连续、连续生产过程，能在垂直引上、水平压延、平拉及浮法生产线中实现在线生产。对于陷入困境的玻璃企业来说，利用在线镀膜技术生产具有优良光学性能的镀膜玻璃是企业摆脱困境的有效途径。可以预见，在当今节能要求越来越高的时代，会有更多的工厂利用在线镀膜技术大规模地生产出品种繁多的隔热和遮阳玻璃，以满足建筑物节能和装饰业的需要。6新型节能玻璃开发6.1低辐射镀膜玻璃低辐射镀膜玻璃是在玻璃表面镀上多层金属或其他化合物组成的膜系产品，使得该产品对可见光有

27、较高的透射率，对红外线(尤其是中远红外线)有很高的反射率，具有良好的隔热性能。6.2 自洁净玻璃自洁净玻璃属于生态环保型新型玻璃，其表面涂镀一层透明的TiO2催化剂涂层，当这层光催化剂的薄膜层遇到太阳光或紫外线的灯光照射后，附着在玻璃表面的有机污染物很快就会被氧化，变成二氧化碳和水而自动的挥发消散。7结论及展望目前建筑能耗占社会总能耗的27%左右。建筑能耗中，通过玻璃门和窗损失的能耗.占到全部建筑能耗的40%50%。要提高建筑的节能效果，必须推广节能玻璃。因此本文认为，现在市场上用于民宅的主导产品白玻璃将逐步被淘汰，中空玻璃将大量使用；在公共建筑中，单片镀膜玻璃将逐年减少而被镀膜中空玻璃取代，更节能的Low-E玻璃(低辐射镀膜玻璃)在公共建筑中将得到广泛应用，新的节能材料和节能技术将得到