鍍膜玻璃研究進展

徐長青 程舟 黃振鋒

（1. 中國南玻集團股份有限公司 深圳 518067；2. 宜賓環球光電節能科技有限公司 宜賓 644000；3. 成都華裕玻璃制造有限公司 成都 610100）

0 引言

鍍膜玻璃具有優異的隔熱、保溫性能，在目前全世界能源緊缺、節能和綠色環保呼聲日高的形勢下，是建筑節能中不可缺少的主要建筑材料之一。鍍膜玻璃是在玻璃表面涂鍍一層或多層金屬、合金或金屬化合物薄膜，以改變玻璃的反射率、導電率等性能。

玻璃鍍膜技術在我國的發展可分為三個階段［1］，在上世紀80年代，耀華玻璃集團通過引進國外設備，利用磁控濺射技術開展了鍍膜玻璃的生產，90年代，秦皇島玻璃工業研究設計院等科研單位進行了鍍膜玻璃技術的研發，突破了國外的技術封鎖。進入21世紀后，我國鍍膜玻璃工業開始穩定生產。

1 鍍膜玻璃的結構原理

熱反射玻璃和低輻射玻璃是鍍膜玻璃中最重要的兩類，兩者的作用原理和適用范圍雖然不同，但是均具有節能環保、調節熱量的作用。

當太陽光照射到玻璃上時，光子攜帶的熱量一部分被玻璃反射，一部分被吸收，剩余的熱量透過玻璃進入室內。同時，由于玻璃的輻射率較高，被其吸收的熱量也會向外輻射出去，并且大部分熱量會被輻射至溫度稍低的室內。因此，除了被反射的熱量外，被玻璃吸收和透過玻璃的熱量均會對室內的溫升產生影響。據此分析，為降低玻璃的吸收率和透過率，需要提高玻璃表面對熱量的反射率。熱反射玻璃就是基于此原理產生的。熱反射鍍膜玻璃對太陽光具有較高的反射率、較低的透過率和吸收率，實現了隔絕太陽光熱量的作用。因此，在夏季或者低緯度地區，熱反射玻璃將太陽光熱量阻隔在室外，使室內保持較低的溫度而不受室外太陽光的影響。而在高緯度地區，寒冷的冬季，室內溫度高于室外溫度，為防止室內熱量通過門窗玻璃散發到室外，采用低輻射鍍膜玻璃可使室外陽光進入室內，同時在一定程度上使室內熱量的輻射反射回室內，減少了室內熱量的流失和外泄，從而達到了節能保溫的目的。

2 鍍膜玻璃的性能指標

自然界的熱量均來自于太陽能，太陽光通過導熱、對流和輻射三種形式的組合進行傳導。經太陽光加熱后的室外空氣，以導熱和對流的方式對玻璃進行加熱，但玻璃接收到的熱量更多的來自于太陽輻射能經過大氣層吸收和反射之后剩余的能量。這部分能量中起到加熱功能的主要為可見光和紅外線部分，為了不影響室內采光并達到隔絕熱量的目的，玻璃需對太陽輻射光譜進行有選擇的反射和吸收。鍍膜玻璃是指在平板玻璃表面鍍上一層或多層由金屬、非金屬、合金或金屬氧化物組成的薄膜，使玻璃能將太陽光反射回大氣中，從而達到阻止太陽光進入室內的目的。衡量鍍膜玻璃熱量傳遞的參數有傳熱系數、遮蔽系數和太陽能總透射比等。

2.1 傳熱系數

鍍膜玻璃的傳熱系數，又稱為K值，它是指鍍膜玻璃在單位時間、單位面積、單位傳熱距離、溫度升高或降低一度所傳遞的熱量。傳熱系數是一個綜合系數，包含了在上述條件下玻璃的導熱、對流和輻射三種傳熱方式傳遞的熱量，是鍍膜玻璃傳熱的一種綜合體現。玻璃的傳熱系數越大，說明越容易導致室內溫度上升，因此，傳熱系數常被用來評價玻璃的節能效果。從傳熱系數的定義來看，影響鍍膜玻璃傳熱系數的因素主要有玻璃厚度、玻璃面積等玻璃自身的性質以及室內外氣體流速、密度、比熱等，除此之外，還與玻璃鍍層的性質有關。

2.2 遮蔽系數

遮蔽系數，也稱為遮陽系數，是指鍍膜玻璃遮擋太陽光輻射的能力。遮蔽系數是衡量鍍膜玻璃遮陽效果的重要指標［2］。遮蔽系數是以總太陽透過率與3 mm無色透明玻璃的總太陽透過率的比值來確定的，一般3 mm無色透明玻璃的總太陽透過率為0.87，鍍膜玻璃的總太陽能透過率除以0.87即為其遮蔽系數。熱反射玻璃的隔熱反射性能通常用遮蔽系數來表示，遮蔽系數越高，說明鍍膜玻璃的隔熱性能越好。但遮蔽系數越高，也說明鍍膜玻璃向室外反射的熱量越多，換句話說，會向室外反射更多的太陽光，這會對室外造成嚴重的光污染問題，因此研究人員需要綜合考慮鍍膜玻璃的性能及建筑外墻的光污染等。

2.3 太陽能總透射比

太陽能得熱系數（SHGC）也稱太陽能總透射比，是指通過透光圍護結構（門窗或透光幕墻）的太陽輻射室內得熱量與投射到透光圍護結構（門窗或透光幕墻）外表面上的太陽輻射量的比值。在嚴寒地區，由于緯度較高，正午太陽高度角較低，直接照射到建筑的太陽能較少，全年一般只考慮供暖，而不考慮供冷，所以在嚴寒地區，太陽得熱系數不做限值要求；在其他地區，由于需要考慮夏季供冷，建筑透光圍護結構（門窗或透光幕墻）的太陽得熱系數必須要加以限制，以降低建筑通風與空調運行負荷，減少建筑能源消耗。

評價鍍膜玻璃的指標還有太陽光的透射率、透過率以及反射率等。鍍膜玻璃的透射率是指太陽光透過玻璃的熱量與太陽光總熱量的比值。透過率是指透過玻璃的太陽光能量與被玻璃吸收轉化為熱能后進入室內的能量之和占太陽光總能量的百分數。反射率是指被鍍膜玻璃反射回去的能量與太陽光總能量的比值。

3 鍍膜玻璃的制備技術

常見的玻璃鍍膜技術有磁控濺射法、氣相沉積法、噴霧熱解法和溶膠-凝膠法等。

3.1 磁控濺射法

在電場力的作用下，電子與惰性氣體如氬氣發生碰撞，導致氬氣中的氬原子發生電離產生氬離子，Ar+在電場力作用下飛向陰極，產生的新的電子飛向基片。由于Ar+在產生過程中擁有高能量，對靶材表面進行轟擊，使靶材表面逸出濺射粒子，這些濺射粒子會在基片表面沉積從而形成薄膜［3］。玻璃基片一般在磁控濺射過程中作為陽極，基片使用前應先切割成使用的尺寸，然后對基片清洗以除去表面的有機或無機污染物。靶材因鍍膜不同而有所區別，一般氧化鎢靶材、氧化鋅靶材、氧化鈦靶材是比較常用的。工作氣體為惰性氣體，Ar氣較常用，使用前需充滿整個腔體。

3.2 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是通過光輻射、等離子體作用、溫度等方式使反應腔內的氣體與另一種氣體或者固體在氣氣界面或氣固界面上發生化學反應，從而生成新的物質并沉積在固體基片上［4］。由于采用氣體分子參與反應，溫度比薄膜成分的熔點低很多，適用于單質金屬薄膜、合金薄膜或者氧化物薄膜等，并且在不規則形狀的基底上也能形成均勻的薄膜。此外，還可以通過調控原料氣、反應條件等調整薄膜的成分和結構，得到較好的薄膜。影響沉積效果的因素主要有基底溫度、氣體分壓、系統總壓力、基底材料等，提高基底與薄膜之間的附著力還可以通過提高基底溫度、活化基底表面、制作梯度過渡層、清洗基底等措施來實現，最終獲得較好的沉積效果。

3.3 噴霧熱解法

噴霧熱解法是將含金屬粒子的溶液霧化后噴至玻璃基底，利用各種加熱方式使溶劑揮發，溶質在基底上發生反應得到薄膜。噴霧熱解過程受到噴霧過程和熱解過程雙重控制，在噴霧過程中，最首要是獲得均勻、細密的霧滴。溶液的霧化程度、霧滴的大小和形狀、霧滴的均勻性、溶劑的揮發性、溫度以及噴嘴形狀、壓力都會影響噴霧的效果。為了提高溶液的噴霧效果，又逐漸發展出了超聲噴霧熱分解技術、靜電噴霧熱分解技術、基于微電子的噴霧熱解技術等。

3.4 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法通常是利用金屬醇鹽或無機鹽類，在有機溶劑中溶解形成均勻溶液，在一定溫度下水解和聚合形成具有一定黏度的溶膠，將溶膠涂在玻璃基底上，再通過熱處理除去有機物，形成所需要的薄膜。溶膠-凝膠法具有設備簡單、制備溫度低、容易調整配合比等特點。溶膠-凝膠法容易在各種形狀的玻璃基底上獲得薄膜，能夠實現薄膜的大規模制備。

4 結語

鍍膜玻璃作為一種節能材料在建筑中的應用會越來越廣泛，隨著經濟的快速發展，在其它領域的應用也會隨之拓展。因此需要對鍍膜玻璃的性能要求、制備工藝和檢測技術進行深入研究，從而加速鍍膜玻璃的應用推廣，促進建筑領域的碳減排和碳中和目標的實現。