解讀：建筑節能用調光玻璃技術(shù)

 調光玻璃是一種新型的窗口節能材料.它通過(guò)調節太陽(yáng)光透過(guò)率達到節能的效果。其作用原理：當作用于調光玻璃上的光強、溫度、電場(chǎng)或電流發(fā)生變化時(shí)，調光玻璃的性能將發(fā)生相應的變化，從而可以在部分或全部太陽(yáng)能光譜范圍內實(shí)現高透過(guò)率狀態(tài)和低透過(guò)率狀態(tài)間的可逆變化。調光玻璃最初是為汽車(chē)工業(yè)開(kāi)發(fā)的，最近，人們開(kāi)始探討此種玻璃的大規格化及其在建筑上的應用。

　　調光玻璃的核心是致變色材料。致變色材料根據作用原理不同可分為光致變色(photochromic)、電致變色(electrochromic)、熱致變色(thermochromic)及液晶基(1iquid—crystalbased)等多種類(lèi)型，但是，只有在無(wú)色透明和著(zhù)色之間可逆變化的材料才可用于調光玻璃。光致調光玻璃主要用于眼鏡行業(yè).由于技術(shù)、成本及人居舒適性等原因。其在建筑應用方面實(shí)用價(jià)值有限，故本文主要討論電致調光玻璃、熱致調光玻璃和液晶調光玻璃。

　　1、電致調光玻璃

　　1.1、電致變色材料及電致變色原理

　　電致變色效應是指在電場(chǎng)或電流作用下.材料對光的透射率和反射率(詞條“反射率”由行業(yè)大百科提供)能夠產(chǎn)生可逆變化的現象.具有電致變色效應的材料通常稱(chēng)之為電致變色材料。根據變色機理，電致變色材料可分為三類(lèi)：氧化態(tài)下無(wú)色、還原態(tài)下著(zhù)色的陰極變色材料;還原態(tài)下無(wú)色、氧化態(tài)下著(zhù)色的陽(yáng)極變色材料;在不同價(jià)態(tài)下具有不同顏色的多變色電致變色材料。顯然。能在調光玻璃上應用的應是前兩種材料。電致變色材料主要有無(wú)機過(guò)渡金屬氧化物(如W03、NiO、MoO3、V：0和IrO等)和有機化合物(如紫精類(lèi)化合物、聚苯胺、鑭系酞化氰等)。

　　關(guān)于電致變色材料的變色機理。人們已取得較一致的看法，即雙注理論。變色被認為是材料中離子和電子注入或抽出而產(chǎn)生的。

　　1.2、電致調光玻璃的結構及工作原理

　　電致調光玻璃通常由普通玻璃及沉積于玻璃上的數層薄膜材料組成。其各層按順序分別為透明導電層(TC)、電致變色層(EC)、離子導體層(IC)、反電極層(CE)或離子儲存層和另一透明導電層(TC)。其中EC層是電致調光玻璃的核心部分。TC層作為引出電極，CE層用以提供和儲存變色所需離子。IC層用作傳導變色過(guò)程中的離子，沒(méi)有電子傳導，否則會(huì )自放電而造成自行變色。

　　電致調光玻璃對光線(xiàn)的調節有吸收調節和反射調節兩種方式，圖1為電致調光玻璃在著(zhù)色態(tài)和退色態(tài)下的光譜曲線(xiàn)。

　　1.3、電致調光玻璃的研究現狀

　　在眾多電致變色材料中，陰極變色材料非晶氧化鎢的研究最趨于實(shí)用，反電極一般采用與電致變色層互補的另一種電致變色材料，即如果變色層為陰極電致變色材料，則反電極用陽(yáng)極電致變色材料。在外加電壓作用下，陰極、陽(yáng)極將會(huì )同時(shí)著(zhù)色和退色，從而使著(zhù)色態(tài)顏色更深而退色態(tài)透光率更高。這種互補變色的典型組合是WO一NiO，WO在還原態(tài)下著(zhù)色，NiO在氧化態(tài)下著(zhù)色，因而可使變色加深。同樣.當WO處于氧化態(tài)時(shí)，NiO為還原態(tài)，從而可產(chǎn)生出高透過(guò)率的玻璃。離子導體層通常采用固態(tài)膜，因為雖然液體電解質(zhì)有響應速度快、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但也有難以封裝、液體泄漏等弊端，無(wú)實(shí)用價(jià)值。Li離子是直徑最小的金屬離子(詞條“金屬離子”由行業(yè)大百科提供)，傳輸性能較穩定，因此，¨離子固體導體受到人們的極大關(guān)注。LiF、LiA1F4、LiN、LiA1C1等¨離子導體薄膜均具有較好的性能。

　　電致調光玻璃中使用最多的透明導電膜為含銦氧化錫(ITO)和含氟或銨的氧化錫(FrO或ATO)。對于大規格的電致調光玻璃來(lái)說(shuō).透明導電膜必須具有較低的薄膜電阻，以從玻璃邊緣到中心減少電壓降。就玻璃窗的實(shí)際規格來(lái)說(shuō)，薄膜電阻應小于20m：

　　2、熱致調光玻璃

　　2.1熱致調光玻璃的工作原理

　　熱致調光玻璃通常是由普通玻璃上鍍一層可逆熱致變色材料而構成。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展.人們已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了無(wú)機、有機、聚合物及生物大分子等各種可逆熱致變色材料。但是，對于調光玻璃來(lái)說(shuō)，變色溫度要處于低溫區才具有實(shí)用價(jià)值。在眾多可逆熱致變色材料中，以釩的氧化物為基礎的薄膜涂層是人們研究的熱點(diǎn)。其中，VO是人們最感興趣的氧化物，因為它的相變溫度(qC)是68℃，在實(shí)際應用中具有重要意義。當溫度低于68℃時(shí)，VO呈單斜晶系結構;溫度高于68℃時(shí)，呈四方晶系結構。由于晶系結構的變化，VO的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生了很大的變化，而且這種變化是可逆的。圖3是VO薄膜相變前后透過(guò)率和反射率在太陽(yáng)光譜范圍內的變化情況。

　　VO薄膜實(shí)用化的前提條件是將其相變溫度由68℃降至接近室溫。實(shí)驗證實(shí)，相變溫度隨薄膜的制取方法和工藝而變化，另外還可以使用摻雜技術(shù)、氟化技術(shù)或降低表面應力的方法來(lái)降低薄膜的相變溫度。通常所用的摻雜元素有鈮、鉬、鎢等。F.C.Case通過(guò)摻雜0.9%的鎢鍍制了相變溫度為38℃的VO薄膜。

　　2.2、熱致調光玻璃研究新進(jìn)展

　　多年來(lái)，人們一直致力于低溫熱致調光玻璃的研發(fā)，并取得了可喜的成果。美、德、英等國先后研制了一種新型低溫(20℃～50℃)熱致調光材料。這種新型熱致調光材料包含至少兩種折射系數不同的物質(zhì)。在溫度較低時(shí)，這些物質(zhì)靠分子間的作用力在分子水平上混合，達成均一相，此時(shí)材料透明：隨著(zhù)溫度升高，分子熱運動(dòng)加劇，當溫度升高到某一特定值時(shí)，發(fā)生相分離，形成無(wú)數個(gè)細微顆粒.對入射光造成強烈散射，因為大部分光線(xiàn)被漫反射，故此時(shí)材料變成不透明的白色。

　　這種新型熱致調光材料可分為兩種，一種是云膠(水凝膠)，另一種是聚合物的混合物。將云膠封于玻璃夾層中可制成熱致調光玻璃，并且制成的調光玻璃因光學(xué)性能好、響應速度快而備受人們關(guān)注。云膠是由水和一種聚合物在低溫時(shí)形成的均相交聯(lián)凝膠，當溫度升高到某一特定值時(shí)，云膠發(fā)生相分離.聚合物組分形成無(wú)數個(gè)尺寸和入射光波長(cháng)相當的顆粒，散射入射光，見(jiàn)圖3。

　　日本富士XEROX公司則解析并且模仿烏賊和章魚(yú)等頭足綱動(dòng)物色素細胞變色機理研制了一種顏料。把高濃度的顏料包裹在一種高分子凝膠體微粒中，常溫狀態(tài)下，光線(xiàn)通過(guò);溫度升高時(shí)，包裹著(zhù)顏料的高分子凝膠體體積膨脹大約30倍，遂遮住陽(yáng)光。

　　3、液晶調光玻璃

　　3.1、液晶調光玻璃的結構

　　液晶調光玻璃是根據液晶在電場(chǎng)作用下的有序排列特性而制成的一種新型玻璃，其基本結構見(jiàn)圖4，將液晶或液晶與塑料的混和液封裝在樹(shù)脂中，兩邊襯以帶有透明導電膜的LB偏光膜，然后封裝在兩塊玻璃之間制得液晶調光玻璃。

　　3.2、液晶調光玻璃的工作原理

　　液晶分子通電前雜亂地排列，可使平行光線(xiàn)散開(kāi)，即不透明狀態(tài)：而通電后液晶分子排列呈一個(gè)方向，從而可讓平行光線(xiàn)通過(guò)，即透明狀態(tài)，見(jiàn)圖5。液晶被封入樹(shù)脂中，即使萬(wàn)一玻璃破碎，液晶也不會(huì )流出，安全性較好。

　　3.3、液晶調光玻璃研究所面臨的問(wèn)題

　　從工業(yè)化開(kāi)發(fā)方面考慮，需要研究的內容有：(1)研制壽命長(cháng)、響應速度快、使用電壓低且價(jià)格便宜的液晶材料;(2)樹(shù)脂封裝技術(shù)，要求樹(shù)脂是透明的，且不破壞液晶的材料；(3)偏光膜的工藝特性，尋找出易獲得、透光性好和對環(huán)境要求不高的偏光膜。

　　4、結束語(yǔ)

　　美國SERI研究所的一項研究結果表明，調光玻璃可以使建筑物內的空調能耗降低25%左右，同時(shí)，還可以起到裝飾作用.并可減少室內外的遮光設施，如窗簾、百葉窗等的裝置費用。正因為有如此多的優(yōu)點(diǎn)，美國、日本、歐洲等國家和地區相繼制定計劃，紛紛投入大量人力和財力，對調光玻璃進(jìn)行研究。世界調光玻璃市場(chǎng)也在逐年擴大，2000年已達2000億日元。在調光玻璃研究方面，日本和美國處于世界領(lǐng)先地位，我國在這方面的研究起步較晚，水平相對落后，應借鑒國外的研究經(jīng)驗，促進(jìn)我國調光玻璃研究的發(fā)展。