黎萬 吳會軍,2 陳蘭潔 劉彥辰,2 楊麗修,2

（1. 廣州大學土木工程學院 建筑節(jié)能研究院 廣州 510006；2. 廣州大學廣東省建筑節(jié)能與應用技術重點實驗室 廣州 510006；3. 廣州啟榮新材料科技有限公司 廣州 510006）

0 引言

隨著經(jīng)濟發(fā)展與人們對美好生活要求的提高，汽車舒適性與節(jié)能要求也不斷提高。前擋風玻璃是影響汽車采光、熱舒適與空調(diào)能耗的重要因素［1］。在炎熱的夏天，太陽光透過汽車玻璃使汽車內(nèi)部溫度升高，不僅造成車內(nèi)設施老化加快，同時也增大了汽車空調(diào)負荷和油耗［2］。太陽光中可見光和紅外光分別約占總輻射能量的44%和53%［3］，而紫外線會影響人們皮膚健康，加速內(nèi)飾材料劣化［4］。因此，汽車玻璃需要在紫外線、紅外線光譜范圍內(nèi)透射率小，而在可見光范圍內(nèi)透射率大［5］。

透光隔熱玻璃膜能夠阻隔大量的紅外與紫外光、同時對可見光具有高透過率，而且在玻璃破損時減少玻璃飛濺，提高安全性能［6］，廣泛應用于汽車透光隔熱性能的提升。

1 透光隔熱汽車玻璃膜的分類及研究進展

透光隔熱汽車玻璃膜根據(jù)隔熱原理可分為吸收型隔熱膜、反射型隔熱膜和低輻射膜（Low-E膜）。

1.1 吸收型透光隔熱膜

吸收型透光隔熱膜利用涂覆在透明聚酯膜表面的吸熱材料，吸收紅外熱量實現(xiàn)隔熱的功能。吸收型透光隔熱汽車玻璃膜常用的主要吸熱材料是摻銻氧化錫（ATO），因其具有優(yōu)異的近紅外線吸收性能、價格低廉等優(yōu)點，被廣泛應用于汽車玻璃隔熱膜。

TiO2具有光催化作用，馮翠珍等［7］發(fā)現(xiàn)TiO2吸光度可高達4.5。市場上通常在ATO材料中摻雜TiO2粒子制成吸收型透光隔熱膜。常見TiO2有白色與黑色兩種顏色，白色TiO2是在大氣中燒結而成，而黑色TiO2是在真空中燒結而成，黑色TiO2具有更好的光催化性能。Hu等［8］發(fā)現(xiàn)ATO配比為83.3%的高分散性ATO/白色TiO2復合粒子透明隔熱膜可使車內(nèi)溫度降低6 ℃，空調(diào)和照明所用的電量比未鍍膜的玻璃少27%。Zhong等［9］發(fā)現(xiàn)一種基于ATO/黑色TiO2的新型透明隔熱涂料的近紅外阻光率高達86%，可見光透過率約62%，在熒光燈下3 h內(nèi)可降解45%的亞甲基藍，且雙層涂層活化后的水接觸角小于5°，摻雜黑色TiO2的ATO吸收型透光隔熱膜為車玻璃窗節(jié)能方面提供了新的研究方向。

此外，可以利用化學溶液沉積法（CSD）、化學氣相沉積法（CVD）和磁控濺射法等將ATO與其他反射性高或透明性高的材料形成多層膜使ATO吸收型透光隔熱膜光譜選擇性性能得到進一步提升。Benjamin等［10］分別采用化學溶液沉積法（CSD）和化學氣相沉積法（CVD）制備了ZnO/ATO雙層薄膜，該雙層膜可阻擋99%的紫外光和60%的近紅外光，可見光透過率可達80%。但CSD與CVD兩種制備方法均是在高溫環(huán)境下進行的，制得的薄膜通常會含有一些碳殘留物，對薄膜的光學性能會有一定的影響。相比較于CSD與CVD，磁控濺射法可以在較低溫度下提供相應的純薄膜，適合大面積薄膜的沉積，Shao等［11］發(fā)現(xiàn)在500 ℃的氮氣中退火后，ZnO與ATO層界面處出現(xiàn)了SnO相，通過優(yōu)化濺射條件可以降低SnO相的含量，優(yōu)化后的ZnO/ATO雙層膜可阻擋96%的紫外光和66%近紅外光，透過80%的可見光。Wu等［12］利用磁控濺射法制備的ATO/AgNWs/ATO三層膜結構在550 nm處的透過率可達85.7%。

吸收型透光隔熱膜具有優(yōu)越的光譜選擇性與隔熱性能，但當膜吸收熱量后會導致溫度升高，熱量以遠紅外向車內(nèi)二次輻射，難以保證持久隔熱［13］。

1.2 反射型透光隔熱膜

反射型透光隔熱膜一般采用磁控濺射工藝，將貴金屬均勻濺射在光學級PET基材上，制成多層致密的高隔熱金屬膜層，主要通過對光反射實現(xiàn)隔熱，避免了吸收型隔熱膜的二次輻射問題，如圖1、圖2所示。

由圖1、圖2可以看出，反射型透光隔熱膜相比吸收型隔熱膜具有更好的隔熱效果［13］。

圖1 金屬反射型（a）與金屬吸收型（b）隔熱效果對比［13］

圖2 金屬反射型與吸收型隔熱膜使用一年后隔熱效果對比［13］

反射型透光隔熱膜通常采用的金屬材料為ITO與SnO2［14］。ITO是應用最廣泛的透明導電氧化物（TCO）之一［15］。Qi等［15］在添加2%的ITO或ATO粒子后，車內(nèi)溫度可降低3～5 ℃，還發(fā)現(xiàn)ITO粒子比ATO粒子具有更強的近紅外擋光性能，并具有更高的可見光透過率，如圖3所示。

圖3 不同添加量的樣品的透過率曲線［15］

通常以磁控濺射技術制備ITO復合型透光隔熱膜，薄膜可見光透光率和紅外發(fā)射率的主要影響因素為退火溫度、薄膜厚度等。Zhu等［16］采用磁控濺射技術在柔性氟晶云母基板上制備了ITO薄膜，發(fā)現(xiàn)所有樣品ITO薄膜可見光透過率均在85%以上，且隨著退火溫度的升高，平均透光率呈下降的趨勢，如圖4所示。

圖4 ITO薄膜透過率與退火溫度關系［16］

Sibin等［17］發(fā)現(xiàn)隨著ITO厚度的增加，平均透光率呈下降的趨勢，厚度為10 nm的ITO薄膜可以滿足較高的紅外發(fā)射率與可見光透過率，其紅外發(fā)射率為79%，平均太陽透過率為94%，如圖5所示。之后，Sibin等［18］在玻璃襯底上沉積了ITO/Ag/ITO（IAI）多層膜，發(fā)現(xiàn)Ag和ITO層的最佳厚度分別為21 nm和60 nm，具有較高的可見光透過率（>88%）和較高的紅外反射率（>90%）。

圖5 ITO薄膜透過率與ITO厚度關系［17］

SnO2膜在可見光波段有良好透光性，不同的制備方法影響反射型透光隔熱膜的可見光透過率。常用的制備方法為噴霧熱解技術、溶膠-凝膠旋涂技術、磁控濺射法或化學氣相沉積法等。Vidhya等［19］采用噴霧熱解技術制備了透明導電的純二氧化錫薄膜和摻鎵氧化錫薄膜，發(fā)現(xiàn)Ga摻雜SnO2薄膜的平均透過率變化為65%～75%。Bouznit等［20］采用噴霧熱解技術合成了高質量的Sb摻雜SnO2薄膜，發(fā)現(xiàn)了Sb摻雜SnO2薄膜可見光透過率超過70%。Sivakumar等［21］利用溶膠-凝膠旋涂技術制備了不同濃度（1%、3%和5%）的摻鎵二氧化錫薄膜，發(fā)現(xiàn)在可見光區(qū)域中，純SnO2薄膜平均透過率高于85%，而摻雜Ga的SnO2薄膜的透過率下降至74%。Chung等［22］采用直流濺射法制備了Zn摻 雜SnO2（ ZTO） 和Zn-N共 摻 雜SnO2（ZNTO）薄膜，發(fā)現(xiàn)ZNTO薄膜的可見光透光率達到85%以上。與其他方法相比，化學氣相沉積技術具有大面積生長的可行性、組分和生長速率易于控制等優(yōu)點，適合于工業(yè)生產(chǎn)高結晶質量薄膜［23］， He等［23］利用金屬有機化學氣相沉積法在a-Al2O3襯 底上制備了不同Ta濃度的Ta摻雜SnO2薄膜，并研究了Ta摻雜對SnO2薄膜光學性能的影響，發(fā)現(xiàn)薄膜可見光透過率超過88%。

透明熱鏡薄膜是一種新型的反射型透明隔熱膜，其特點是它以0°入射角透射更多的可見光波長，同時反射近紅外光和發(fā)熱波長。M.F.Al-Kuhaili等［24-25］測 試 了NiO/Ag透 明 熱 鏡 薄 膜 與MoO3/Ag透明熱鏡薄膜的特性，發(fā)現(xiàn)NiO/Ag透明熱鏡薄膜可見光最大透過率為69.2%，紅外反射率為69.2%，MoO3/Ag透明熱鏡可見光最大透過率可達到78.4%，紅外反射率為73.4%。Kim等［26］提出了一種新型自清潔透明熱鏡（SC-THM），該熱鏡是通過在連續(xù)卷對卷濺射制備的Ag-SiNx多層結構上沉積等離子體聚合物氟碳薄膜制成的，可見光透過率在406 nm處為60.67%，紅外透過率在1000 nm處為6.86%，1500 nm處為2.50%，同時其拒水性能可達111°以上。

盡管反射型透光隔熱膜能解決二次輻射的問題，但隔熱膜大多為金屬材料，光反射率高，容易出現(xiàn)眩光等問題。

1.3 低輻射膜（Low-E膜）

低輻射膜（Low-E膜）對近紅外輻射具有低反射率，對遠紅外輻射具有高反射率，可以有效阻止室內(nèi)熱量泄向室外，具有控制熱能單相流向室外的作用，能達到良好節(jié)能效果且能保持良好透光性能。反射型透光隔熱膜對冬季或寒冷地區(qū)節(jié)能效果不明顯，主要應用于夏熱冬暖地區(qū)；而Low-E膜的選擇性吸收與反射，可以根據(jù)不同類型分為適合寒冷的北方地區(qū)的高透性Low-E薄膜，南北地區(qū)都適用的遮陽型Low-E薄膜和雙銀型Low-E玻璃薄膜［27］。Amirkhani等［28］采用建筑建模和能量仿真軟件DESLTAS對Low-E薄膜（Thinsulate薄膜）在英國倫敦進行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)在加熱、冷卻和總能耗方面分別節(jié)省3%、20%和2.7%。

比較常用的低輻射膜為單銀基或雙銀基低輻射膜，被稱為陽光控制膜。單銀基系膜通常只有一層銀層，加上其他金屬及化合物層，膜層總數(shù)可達5層。單銀基膜系可見光透射率可達90%，紅外光平均反射率高于75%。雙銀基膜系具有兩層銀層，加上其他金屬及化合物層，膜層總數(shù)可達9層，平均紅外光反射率為95% 以上，但由于膜層增多，吸收率增加，因此雙銀基膜系的可見光透射率比單銀膜低，仍可達到75%（圖6）［29］。

圖6 單銀基、雙銀基低輻射膜的反射率、透射率曲線［29］

為提升可見光透過率，近年來研究集中于含有銀膜的復合膜。Akin等［30］在玻璃襯底上的Ag和介質AZO層之間沉積了厚度為1～2 nm的Ti、Nb、Cr、Ni、Mo、Pt、Cu和Ru等多種金屬晶種，獲得了連續(xù)、導電的高紅外反射率和高可見光透過率的超薄Ag薄膜，并比較了Ag與不同晶體復合而成的膜的光學性能，如圖7所示。

圖7 玻璃上超薄銀膜的光學透過率光譜［30］

從圖7可見，加入其余金屬晶種后的紅外光透過率明顯減少，但是沒有加入其余晶種與加入其余金屬晶種后的可見光透過率低于70%。為解決可見光透過率低的問題，Zhang等［31］采用濺射技術在玻璃上制備了ZnO/Ag/ZnO和ZnO/（摻雜Cu/Al） Ag/ZnO膜， 發(fā) 現(xiàn)ZnO/（ 摻 雜30%）Al/ZnO最耐熱，且其可見光透過率為70%，紅外反射率為90.6%。Nezhad等［32］研究了不同Ag層沉積時間對ZnO/Ag/ZnO薄膜性能的影響，在40 s Ag和300 s ZnO沉積時間內(nèi)，薄膜可見光透過率為74%，近紅外透過率為24%，還發(fā)現(xiàn)超薄三層膜的可見光透過率隨Ag膜厚度的增加而增加，直到沉積時間為40 s時達到最佳厚度。Gumrukcu等［33］采用磁控濺射方法制備了由Ag、AZO介質層和Al2O3緩沖層組成的Low-E涂層，銀膜性能有了明顯的改善，可見光區(qū)的透過率從67%提高到79%。為降低近紅外透過率，Lin等［34］將納米線/聚乙烯醇縮丁醛（AgNWS/PVB）涂層用于高性能Low-E窗，其可見光透過率和中紅外反射率分別為83.0%和69.8%。

盡管Low-E膜對紅外具有光阻隔性、對可見光具有高透過性，但其目前一般用于制造復合中空玻璃，價格較高［35］。

2 新型調(diào)光玻璃膜——電致變色玻璃膜

傳統(tǒng)的節(jié)能玻璃膜難以根據(jù)環(huán)境變化進行智能調(diào)節(jié)，而近年來發(fā)展起來的智能變色玻璃可根據(jù)外部環(huán)境刺激改變其光譜透射率。其中電致變色玻璃膜能通過傳感器自動或者人為主動地對透、反射光強度的顏色進行連續(xù)、動態(tài)的調(diào)節(jié)，成為熱點方向［36］。

電致變色玻璃膜通過電場驅動實現(xiàn)對光的透過率、吸收率和反射率進行穩(wěn)定、可逆的調(diào)節(jié)，在某種極性的電壓下光透過率增加（漂白態(tài)），在相反極性的電壓下光透過率減小（著色態(tài)），如圖8所示。

圖8 電致變色玻璃在兩種電壓下的狀態(tài)

電致變色玻璃膜能有效減少眩光、降低能耗。Ardakan等［37］發(fā)現(xiàn)相比較于覆蓋70%和85%熔塊覆蓋的Low-E玻璃，電致變色玻璃減少直射陽光所產(chǎn)生的眩光。Fernandes等［38］發(fā)現(xiàn)電致變色玻璃能降低37%～48%的照明能耗。Tavares等［39］對三種玻璃（單層玻璃、常規(guī)雙層玻璃和電致變色玻璃）進行了比較，通過在地中海氣候地區(qū)進行建筑能耗模擬，發(fā)現(xiàn)電致變色玻璃節(jié)能效果最好，可節(jié)省54%以上的能耗。

評價電致變色玻璃膜的主要性能有可見光透過率、光調(diào)制范圍、響應時間和著色效率等，顯色效率高、循環(huán)性好、成本低的WO3被認為是最有前途的電致發(fā)光材料［40］。WO3薄膜在外加電場作用下，電子和陽離子同時遷入和遷出，可實現(xiàn)從透明到深藍色的轉變，在這兩種顏色下的光透過率可以達到80%以上［36］。WO3制備方法一般為溶液燃燒法、直流磁控濺射技術、噴霧熱解法、絲網(wǎng)印刷法和溶膠-凝膠浸涂法等。Evecan等［41］利用溶液燃燒法制備了均勻粘結的氧化鎢薄膜，光學透過率譜可以觀察到，550 nm時在+2.6 V和-2.6 V下的可見光透過率分別為86%和23%。張元寧［42］利用不同方法制備了氧化鎢/氧化鉬復合電致變色薄膜，發(fā)現(xiàn)利用直流濺射法制備的氧化鎢/氧化鉬復合電致變色薄膜，發(fā)現(xiàn)當氧氬比為3∶70 時，光調(diào)制范圍達到最大，為49.52%；利用噴霧熱解法制備氧化鎢/氧化鉬復合電致變色薄膜在波長632.8 nm 處光調(diào)制范圍為32.08%，響應時間可以控制在15 s 以內(nèi)，著色效率達到40.1 cm2/C；利用絲網(wǎng)印刷法制備氧化鎢/氧化鉬復合電致變色薄膜，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過500 ℃熱處理后，印刷一遍時所得到薄膜的透過率為78%。K.K.Purushothaman等［43］采用溶膠-凝膠浸涂法制備的WO3薄膜在550 nm波長下的透射率為74%。

最近，Tam等［44］報道一種新型混合納米結構MxS nO2/ WO3達到了一個比較理想的效果，它能夠包含智能窗的所有所需特征，包括在著色狀態(tài)下阻擋超過95%近紅外輻射，同時在漂白狀態(tài)下允許約80%可見光透射率，約10 s快速電光響應時間。Goei等［45］制備出了一種新型Nd MO摻雜SnO2/a-WO3復合材料，與傳統(tǒng)的SnO2/a-WO3復合材料相比，具有高達90%的可見光透過率、62%的近紅外調(diào)制、200 cm2/C高顯色效率。

電致變色玻璃膜被廣泛研究用于汽車后視鏡和智能窗戶，其著色和漂白過程可以有效調(diào)節(jié)車內(nèi)空間的溫度和光線，有助于減少車內(nèi)能耗問題［46］。但是如何制出低成本的電致變色材料使其普遍應用仍是現(xiàn)在待解決的問題。

3 結語

通過對透光隔熱玻璃發(fā)展現(xiàn)狀的分析，總結了吸收型透光隔熱玻璃膜、反射型透光隔熱玻璃膜和低輻射膜的優(yōu)缺點以及性能提升的方式。（1）吸收型透光隔熱膜對紅外具有高阻隔性，可見光透過率低，可以通過摻雜反射性高或透光性高的材料提升可見光透過率，但薄膜吸收的熱量會對車內(nèi)造成二次輻射；（2）反射型透光隔熱膜對紅外具有高阻隔性，可見光透過率高，且能解決二次輻射傳熱問題，通常通過改變薄膜厚度和退火溫度來進一步提升薄膜的紅外發(fā)射率以及可見光透過率，紅外發(fā)射率和可見光透過率分別可達90%和88%，但易造成眩光；（3）低輻射玻璃隔熱膜具有良好紅外阻隔率以及良好透光性能，相比較于反射型透光隔熱膜，應用范圍廣，價格高。

電致變色透光隔熱玻璃膜可根據(jù)環(huán)境變化智能調(diào)節(jié)光譜透射率，改善透光玻璃隔熱膜的二次輻射傳熱、眩光等問題，更好地達到節(jié)能效果，為碳達峰、碳中和國家重大戰(zhàn)略提供了新的研究方向。