专利名称：一种离线可钢化智能低辐射镀膜玻璃及其制备方法
技术领域：
本发明涉及建筑节能镀膜玻璃领域，具体是指一种适合产业化生产的离线可钢化智能低辐射镀膜玻璃及其制备方法。
背景技术：
随着节能减排与低碳生活的倡导，世界各国都越来越注重建筑的节能环保。据统计，中国建筑能耗占社会总能耗的27%左右，并且随着城市化规模的扩大，这一比例还在逐年增加。研究表明，窗户是建筑物与外界能量交换的主要通道，玻璃窗的能耗占到全部建筑能耗的40 % 50 %。冬天，窗户(单层)与外界的能量交换占到了整个建筑物与外界能量交换的45%，而夏天，通过窗户与外界实现的能量交换则高达71%。因此，降低窗户的能量交换是降低整个建筑能耗的关键。在欧洲，80%的中空玻璃使用低辐射(Low- ε )镀膜玻璃；美国75%的住宅和三分之一的公共建筑采用Low-ε镀膜玻璃。欧美发达国家Low-ε镀膜玻 璃的生产能力占世界总量的90%。我国目前Low- ε节能玻璃覆盖率不足2%，因此，培育我国自主知识产权的新型节能玻璃产品迫在眉睫了。由于红外线的热效应是最直接的，也是人体最敏感能感觉到热的一段电磁辐射。为了实现低辐射节能的功能，通常是在普通玻璃表面涂镀一层或多层纳米级红外线反射层(称为功能层)。在玻璃表面涂镀一层或几层具有低辐射功能膜的玻璃，称为低辐射玻璃(Low Emissivity Glass,简称Low-ε玻璃)。目前功能层材料主要为厚度仅IOnm左右的Ag膜及提高功能层热稳定性、减反增透、调节玻璃产品外观颜色的辅助层。低辐射功能膜的作用就是反射掉太阳光中的红外线能量部分，而保持可见光具有较高的透过率，尽可能使得太阳成为“冷光源”。在冬天，室内温度比室外高，室内的物体辐射红外线不易通过节能玻璃门窗逃逸，达到保暖效果；在夏天，室外温度比室内高，外面的红外线不易进入到室内，使得室内较为凉爽，大大减少冬天取暖和夏天制冷的能源消耗。然而，这种仅以Ag膜作为功能层的镀膜玻璃，无论什么时候都是处于低辐射状态，始终对太阳光中的红外线能量部分具有高反射率。这在通常需要低辐射功能时是很有利的，但同时也是具有一定弊端的，在不需要低辐射功能的情况下，仍然屏蔽能量则大为不利，例如当室内温度较低而需要室外阳光辐射进入时，却由于Ag膜的高反射而无法进入，不能自动调节使室内温度达到体感比较舒适的平衡点。而具有半导体-金属相变特性的VO2薄膜，则可以根据温度变化实现智能调节作用，正好可以弥补Ag膜功能层的不足。将具有低辐射节能作用的纳米单银膜系与具有智能调节作用的VO2纳米薄膜匹配，使二者融合为一体。使其在具有低辐射效果的同时，还具有智能调节作用。自从1959年Morin发现VO2的半导体-金属相变现象以来，人们对VO2的半导体-金属相变以及与相变伴随的光学和电学性质的突变产生了浓厚的兴趣。当温度高于68°C时，金属相VO2 (R)反射光线，特别是红外波段的光透过率急剧降低，从而可以有效阻挡红外线的进入，避免温度继续上升。而当温度下降到68°C以下时，转变为半导体相VO2 (M)提高对红外光的透过。这样，VO2薄膜就能够循环往复地自动调节室外太阳辐射能流和室内过热或过冷，实现对室内温度的智能控制。而实际应用过程中的最佳使用温度是在30°c附近的室温，以期获得更高的调节能力并消除其相变热滞。要想把VO2的相变温度调节到最佳的室温附近，需要通过大半径金属元素的掺杂来实现，掺杂元素包括W、Mo、Al、Ti、Nb和Ta，通常采用的有单掺和双掺两种模式。最近的研究结果表明，VO2的相变温度可以调节至室温附近，对红外光的开关调节作用可以高达47%。其它已公开的VO2基智能节能镀膜玻璃相关专利，如专利公开号CN101817644A的专利《一种辐射率可调的二氧化钒基复合薄膜及其制备方法》，虽然也提到将VO2纳米薄膜与导电金属薄膜结合，以达到在保持二氧化钒热致变色前提下有效降低辐射率的性能，但由于其所设计膜系结构不能进行离线钢化处理，无法实现工业化大规模生产与应用。因此，要形成能产业化和大规模生产应用的产品，首先要使产品膜系能够通过工业化最常用的磁控溅射方法进行快速制备，更重要的是，所镀膜系要具备离线可钢化的特性，这样才能真正实现灵活的大规模生产和降低成本。离线可钢化镀膜玻璃具有诸多优异的特性，解决了普通镀膜玻璃无法实现大规模产业化生产应用的难题。同等厚度的钢化玻璃抗冲击强度是普通玻璃的3 5倍；抗弯强度是普通玻璃的3 5倍；钢化玻璃的耐急冷急热性质较之普通玻璃有3 5倍的提高，一般可承受250度以上的温差变化，对防止热炸裂有明显效果；其承载能力大，即使破碎也呈蜂窝状的碎小钝角颗粒，对人体的伤害极大地降低，是一种安全玻璃。而且，离线可钢化性能避免了在线钢化处理无法满足任意形状产品需求的缺点，降低了对镀膜生产线设备的要求，极大地释放了产能，从而达到满足灵活性大规模生产和消费的需要。
发明内容
本发明通过将具有节能作用的低辐射功能膜系与具有智能调节作用的二氧化钒膜系匹配，再结合可离线钢化的氮化硅保护镀层，使镀膜玻璃在具有低辐射节能效果的同时，还具有随温度智能调节作用以及可离线钢化性能。通过在各功能膜层间加入改性层或减反层，进行总体膜系减反结构的优化设计和外层可钢化保护结构设计，使其性能达到最佳，形成兼具智能和节能双重功效的可离线钢化新型复合膜系。此新型复合膜系可在大面积玻璃基板上统一镀制后，再根据不同客户需求切割成各种不同形状与尺寸，最后进行离线钢化处理形成产品，从而极大地增强生产设计的灵活性，能够释放产能，非常有利于大规模生产与降低成本。结合附图
3和附图4，可以看到低辐射功能膜系与二氧化钒红外辐射智能调节膜系构成的复合功能膜系同时具备优异的低辐射节能作用和随温度智能调节的特性。单层VO2纳米薄膜的透射谱如附图3所示，在温度高于相变温度T。后，红外波段的光透过率急剧降低，从而可以有效阻挡红外线的进入，避免温度继续上升。通过对VO2纳米薄膜掺杂大半径金属元素，掺杂元素包括W、Mo、Al、Ti、Nb和Ta,既可以掺杂其中一种元素,也可以同时掺杂多种元素，优选的，采用单掺或双掺模式使二氧化钒的相变温度调节至室温附近。再结合·具有低辐射功能的纳米单银薄膜形成复合膜系，其透射光谱如附图4所示，当温度低于相变温度时，复合膜系在红外波段具有一定的透过率，可以使室外阳光中的红外线一部分透射进入室内从而提高室内温度；而当温度高于相变温度时，复合膜系在红外波段的透射率急剧降低，反射室外进入的红外线能量，从而避免室内温度继续上升。这样就使得组合膜系既具有低辐射功能，又具有随温度变化的智能调节作用，达到优异的节能效果。通过在复合功能膜系各功能层之间加入ZnO、SiO2, Si3N4, A1203> SnO2, TiO2作为整体膜系的改性层和增透层。一方面玻璃的主要成分是氧化物，与这些介质膜之间存在相近的晶格常数，有利于彼此的结合，用作玻璃衬底与功能层间的过渡层，可以增强膜系与玻璃衬底间的附着力；一方面不同于玻璃的非晶态，这些介质薄膜是多晶结构，作为缓冲改性层有利于改善功能膜层的结晶性、导电性和光学性能；另一方面作为隔离层，用于保护银层，防止银层在外界环境中被氧化以及防止功能层在钢化或热弯过程中被有害气体侵蚀，影响功能薄膜的性能。同时还可以通过选取适当折射率的介质层材料，调节优化介质层的厚度来增大复合膜系在可见光波段的透过率。为了减少镀膜玻璃表面的反射光，通常需要对其进行进行减反膜系的设计。反射率的计算可以采用特征矩阵法，对于单层减反膜
权利要求
1.一种离线可钢化智能低辐射镀膜玻璃，其特征在于 在玻璃衬底(I)上依次为低辐射功能膜系(2)、二氧化钒红外辐射智能调节膜系(3)和可离线钢化的氮化硅保护膜(4)； 所述的低辐射功能膜系(2)由厚度为5 30nm的纳米单银膜及位于纳米单银膜上层和下层的辅助膜构成，辅助膜由镍铬合金NiCr、氧化锌ZnO、氧化锡SnO2、氧化铝Al2O3、氧化钛TiO2、氮化硅Si3N4、二氧化硅SiO2中的一种或其中的多种沉积层叠构成，厚度为10 50nm ；所述的二氧化钒红外辐射智能调节膜系(3)由诱导结晶层和位于诱导结晶层之上掺杂了大半径金属元素的二氧化钒VO2薄膜构成，其中，诱导结晶层由Si、SiO2, Si3N4, ZnO、TiO2或Al2O3薄膜的一种或其中的多种沉积层叠构成，厚度为20 lOOnm，掺杂的二氧化钒薄膜厚度为20 300nm ； 所述的可离线钢化的氮化硅保护膜(4)厚度为20nm 200nm。
2.根据权利要求I所述的一种离线可钢化智能低辐射镀膜玻璃，其特征在于所述的二氧化钒红外辐射智能调节膜系(3)中掺杂的大半径金属元素为W、Mo、Al、Ti、Nb和Ta，掺杂方式采用掺杂其中一种元素，或同时掺杂多种元素，优选的，采用单掺或双掺两种将二氧化钒的相变温度从68°C调节至室温附近。
3.根据权利要求I所述的一种离线可钢化智能低辐射镀膜玻璃，其特征在于所述的低辐射功能膜系(2)、二氧化钒红外辐射智能调节膜系(3)和可离线钢化的氮化硅保护膜(4)中各功能膜的制备方法采用磁控溅射法、化学气相沉积法、真空热蒸发法、溶胶-凝胶法、电镀法、喷雾热解法或脉冲激光沉积法，优选的，采用磁控溅射法。
4.一种离线可钢化智能低辐射镀膜玻璃，其特征在于 玻璃衬底(I)上依次为二氧化钒红外辐射智能调节膜系(3)、低辐射功能膜系(2)和可离线钢化的氮化硅保护膜(4)； 所述的低辐射功能膜系(2)由厚度为5 30nm的纳米单银膜及位于纳米单银膜下层的辅助膜构成，辅助膜为氮化硅厚度为10 200nm的Si3N4 ； 所述的二氧化钒红外辐射智能调节膜系(3)由诱导结晶层和位于诱导结晶层上掺杂了大半径金属元素的二氧化钒VO2薄膜构成，其中，诱导结晶层由Si、SiO2、Si3N4、ZnO、TiO2或Al2O3薄膜的一种或其中的多种沉积层叠构成，厚度为10 200nm，掺杂的二氧化钒薄膜厚度为10 300nm ； 所述的可离线钢化的氮化娃保护膜(4)厚度为20nm 500nm。
全文摘要
本发明公开了一种离线可钢化智能低辐射镀膜玻璃及其制备方法。该离线可钢化智能低辐射镀膜玻璃包括玻璃衬底、低辐射功能膜系、二氧化钒红外辐射智能调节膜系和可离线钢化的氮化硅保护膜，使镀膜玻璃同时具备随温度智能调节效果、低辐射节能效果和离线可钢化性能。本发明的复合膜系可通过工业化磁控溅射制备方法在大面积玻璃衬底上镀制，还可按照实际需求对镀膜玻璃进行切割后再离线钢化处理，是一类灵活性高、可实现大规模生产的新型智能建筑节能镀膜玻璃产品。
文档编号C03C17/36GK102910837SQ201210393059
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月16日 优先权日2012年10月16日
发明者王少伟, 陆卫, 陈飞良, 俞立明, 王晓芳, 陈效双 申请人:中国科学院上海技术物理研究所, 上海德福光电技术有限公司