智能玻璃在建筑中的應用及其檢測技術研究進展

吳前進

江蘇建學工程技術有限公司 江蘇 宿遷 223700

0 引 言

智能玻璃是一種新型建筑材料，可以接受外界環境刺激而產生特定的功能應對，如通過電氣信號來調節玻璃的透明度，從而控制室內外的光線和熱量傳遞。智能玻璃的發展源于對節能、環保和舒適性的追求，以及對建筑外觀和功能的要求，可以根據外界光線和溫度變化自動調節透光度和隔音效果，減少建筑內部使用的人工照明和空調能耗，為建筑提供更加舒適的室內環境，保護建筑內部的私密性和安全。智能玻璃材料還可以為建筑帶來更靈活和創新的設計，如設計可變形狀的玻璃幕墻，提高建筑的美觀和視覺效果。在我國，“智能玻璃與高安全功能玻璃關鍵技術開發”被列入“十三五”國家重點研發計劃專項。

隨著科學技術的不斷發展和市場需求的不斷增長，智能玻璃當前及潛在的市場價值也在不斷提高。根據市場研究公司Mordor Intelligence發布的題為“Global Smart Glass Market—Growth，Trends，and Forecast（2020—2025）”的報告，全球智能玻璃市場的規模將持續增長，預計到2025年，全球智能玻璃市場規模將達30 億美元以上。隨著智能城市和智能家居的發展，智能玻璃的需求將不斷增加。除了傳統的建筑領域之外，智能玻璃還將應用于交通、能源、醫療、教育、廣告和娛樂等多個領域。如智能玻璃可用于提升建筑的隔音、防火和防彈性能，進而提高建筑的安全性和舒適度；可用于汽車、飛機和火車等交通工具的車窗、頂棚和隔斷等，根據太陽光的強弱自動調節透明度，以達到最佳的太陽能收集效果；還可以用于提升綠色建筑的節能和環保性能，提高建筑的能源利用效率并減少環境污染；在醫療領域，用于醫療設備和病房的隔斷等。

1 智能玻璃材料的研究進展

1.1 電致變色智能玻璃材料

電致變色技術是智能玻璃材料的一項核心技術，其原理是利用電場作用下的電致變色效應，使玻璃材料的透明度發生改變［1］。在智能玻璃的制作過程中，將一層電致變色涂層覆蓋在玻璃表面，形成一種光學薄膜。當電流通過涂層時，涂層中的分子會發生重排，從而改變聚合物的透明度。這種涂層材料通常由氧化物、硫化物、氟化物、錳酸鹽和釩酸鹽等化合物組成。這些化合物具有光學響應性能，可以在電場作用下改變其結構和性能，從而改變玻璃的透明度［2-3］。

近年來，關于電致變色玻璃材料的研究正在不斷深入和擴展。Song等［4］通過化學浴沉積（CBD）技術結合熱解工藝制備了負載在TiO2納米管陣列中的WO3納米顆粒，所得的混合納米管陣列在不同的電位偏壓下顯示出多級著色電致變色響應。與未修飾的納米管陣列相比，使用復合膜可以實現更長的壽命、更高的對比度（漂白時間/著色時間）和增強電致變色性能。Nguyen等［5］提出了一種新的策略來延長RME器件的穩定性和提高其效率，利用氧化鎢這種眾所周知的電致變色材料，對透明導電電極的表面進行改性，成功制備了優越、穩定和高效的器件。通過施加0.5～0.8 V的低電勢，RME器件可以在漂白狀態和著色狀態之間快速切換，氧化鎢膜在酸性介質中的屏蔽作用使器件的壽命顯著增加（超過1 500 次循環）。Berton 等［6］采用水性工藝，通過溶膠-凝膠浸漬法制備了CeO2-SiO2固體薄膜，用作電致變色器件中的對電極層，用計時電流法測定了二氧化硅的加入對氧化鈰涂層電化學性能的影響，薄膜表現出了更大的電荷存儲容量。

電致變色智能玻璃材料常見的性能檢測內容有透光度、周期性、耐久性和防眩光性，所用的檢測儀器或方法如表1 所示。

表1 電致變色玻璃材料性能檢測方法Tab.1 Testing methods for electrochromic glass materials

電致變色玻璃材料的優點在于它可以適應不同的環境和需要，實現玻璃自動調節透明度。如在夏季，通過自動調節透明度，減少建筑物的熱量和紫外線輻射；在冬季，保持建筑物室內的溫暖和舒適，并適應不同的光照條件和視野需求。此外，智能玻璃還可以用于能源領域，如太陽能電池板，可通過調節透明度來提高太陽能電池板的效率。

1.2 自清潔智能玻璃材料

智能玻璃的自清潔技術是近年來的一個研究熱點。智能自清潔玻璃是一種通過特殊涂層或處理方式實現自動清潔的玻璃材料，其原理主要是利用涂層表面的光催化作用和疏水性質，使污垢和水分在陽光和風力作用下自動分解和排除，從而實現自動清潔的效果。具體來說，智能自清潔玻璃的涂層通常由氧化鈦、氟碳等材料組成，這些材料具有光催化作用和疏水性質。當太陽光照射到涂層表面時，涂層表面的氧化鈦會吸收光子并產生電子空穴對，從而促進有機物的氧化分解，同時，涂層表面的疏水性質也可以使得水分和污垢無法附著在表面上，從而實現自動清潔［7-8］。Shi 等［9］采用超聲霧化技術，成功制備了TiO2水溶膠和聚乙二醇（PEG）涂層的高透明玻璃。實驗證明，所制備的玻璃表面具有良好的非紫外活化超親水潤濕和防霧性能，這些性能受煅燒溫度的影響顯著。Andra等［10］通過噴涂法，在浮法玻璃窗表面沉積Ti-Zr薄膜，并將其暴露在3種不同的環境中20 個月。研究表明，Ti-Zr薄膜具有顯著的光催化活性，同時展示出了良好的防霧效果。Sun等［11］采用溶膠-凝膠法在不同的提取速度下將透明的超親水TiO2薄膜浸涂在玻璃基底上，所制備的薄膜在可見光譜（400～800 nm）上都是透明的，平均透射率超過70%。在高取出速度下，可以獲得具有高透射率（在500 nm下大于90%）和良好自清潔性能（WCA＜5°）的薄膜。

自清潔智能玻璃材料常見的性能檢測有疏水性、透光度、自清潔性和光學特性，所用的檢測儀器和方法如表2 所示。

表2 自清潔智能玻璃材料性能檢測方法Tab.2 Testing methods for self cleaning smart glass materials

總的來說，自清潔玻璃的優勢包括節約清潔成本、減少對環境的污染、提高透光率、增強耐候性和安全性。自清潔玻璃能夠自動清潔，無需人工維護，可以節約清潔成本；且不需要使用化學清潔劑，可以減少對環境的污染。自清潔玻璃的表面不會有水滴或污垢附著，可以始終保持較高的透光率。除此以外，自清潔玻璃的涂層可以防止紫外線侵蝕，從而增強其耐候性。

1.3 自愈合智能玻璃材料

智能玻璃材料的自愈合技術是近年來的另一個研究熱點。自愈合玻璃材料是一種具有自修復能力的材料，其主要是利用內部微觀結構設計和特殊材料組成，以實現材料在受損后自動修復的效果。具體來說，自愈合玻璃主要由兩部分構成：一是玻璃基質，二是微觀結構設計的自愈合層。自愈合層通常由聚合物、樹脂等材料組成，還包括一些特殊的化學物質，如熒光染料、硬化劑等。當自愈合玻璃受到劃傷、沖擊等損傷時，自愈合層中的化學物質會被釋放出來，形成自愈合效應［12-13］。具體來說，熒光染料會吸收光子，并發生熒光反應，從而產生熱能，加速化學反應的進行。硬化劑則可以在熒光染料的作用下迅速固化，填充劃痕和裂縫，從而實現自動修復。此外，自愈合玻璃的微觀結構設計也起到了關鍵作用。自愈合層中通常包含許多微小的球形空腔，當玻璃受到損傷時，這些空腔會被破壞，從而釋放出自愈合層中的化學物質。同時，自愈合層的微觀結構也可以使得自愈合層與玻璃基質之間形成緊密結合，從而增強自愈合效果。

自愈合玻璃材料的研制難度很大，這是因為非晶體高分子量聚合物由于長聚合物鏈的纏結而形成機械堅固的材料。一旦材料斷裂，除非將其加熱熔化，否則很難修復，因為糾纏的聚合物鏈擴散太慢，無法在合理的時間內將斷裂部分結合起來。Yanagisawa等［14］報道了低分子量聚合物，當通過密集的氫鍵交聯時，盡管其擴散動力學極其緩慢，但仍能產生機械堅固但易于修復的材料。一個關鍵是使用硫脲，它形成鋸齒形氫鍵陣列，不會引起不利的結晶；另一個關鍵是結合一種用于激活氫鍵對交換的結構元件，這使得斷裂部分在壓縮時能夠更容易地重新結合。

自愈合智能玻璃材料常見的性能檢測方法有自愈合性能、透光度和耐久性測試，所用的檢測儀器或方法如表3 所示。

表3 自愈合智能玻璃材料性能檢測方法Tab.3 Testing methods for self healing smart glass materials

自愈合玻璃的優勢在于可有效提高建筑玻璃的安全性，具有自我修復能力，能夠有效修復細小的裂紋和劃痕，從而提高建筑玻璃的安全性；減少建筑維護和更換玻璃的成本；還可以為建筑帶來更多的創新性設計。

2 智能玻璃材料的發展展望

目前，國內外對智能玻璃的研究主要集中在以下幾個方面。

材料研究：智能玻璃的核心是可調節透明度的材料。國內外研究人員通過改變材料的化學成分、結構和制備方法，探索了新型智能玻璃材料。如利用液晶、電致變色材料、電極材料等，實現智能玻璃的調節功能。此外，還有研究人員通過納米技術改變材料的微觀結構，提高了智能玻璃的性能。

控制系統研究：智能玻璃的透明度調節需要一個可靠的控制系統。國內外研究人員致力于開發高效、穩定的控制系統，以實現智能玻璃的智能化控制。如利用傳感器和反饋控制算法，實現智能玻璃對光照、溫度等環境參數的感知和調節。

應用研究：智能玻璃在建筑、汽車等領域具有廣泛的應用前景。國內外研究人員通過實際應用案例研究，評估智能玻璃在不同場景的性能和效益。如研究人員在建筑中使用智能玻璃時，可以實現節能、隱私保護等功能；在汽車中使用智能玻璃時，可以提高駕駛安全性和乘坐舒適度。

可持續發展研究：智能玻璃的研究也與可持續發展密切相關。國內外研究人員致力于開發環境友好型的智能玻璃材料和制備方法，從而減少對環境的影響。如研究人員探索利用可再生能源驅動智能玻璃的調節功能，以減少對傳統能源的依賴。

3 結 語

智能玻璃作為一種高科技建筑材料，具有可調節性、節能性、環保性、保護隱私等優點。但當前相關技術的發展仍不夠成熟，如目前的制備方法十分復雜、制備效率和穩定性都有待提高、最終產品的功能可靠性不足等。因此，智能玻璃技術的發展仍需投入更多的資金和技術。在不同使用場景下，關于智能玻璃的材料及控制系統仍是當前重點研究方向。隨著智能玻璃技術的不斷發展和成熟，其應用領域和市場規模必將不斷擴大。