解讀：建筑節(jié)能用調(diào)光玻璃技術(shù)

　調(diào)光玻璃是一種新型的窗口節(jié)能材料.它通過調(diào)節(jié)太陽光透過率達到節(jié)能的效果。其作用原理：當作用于調(diào)光玻璃上的光強、溫度、電場或電流發(fā)生變化時，調(diào)光玻璃的性能將發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可以在部分或全部太陽能光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)高透過率狀態(tài)和低透過率狀態(tài)間的可逆變化。調(diào)光玻璃最初是為汽車工業(yè)開發(fā)的，最近，人們開始探討此種玻璃的大規(guī)格化及其在建筑上的應(yīng)用。

　　調(diào)光玻璃的核心是致變色材料。致變色材料根據(jù)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)等多種類型，但是，只有在無色透明和著色之間可逆變化的材料才可用于調(diào)光玻璃。光致調(diào)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(yīng)用方面實用價值有限，故本文主要討論電致調(diào)光玻璃、熱致調(diào)光玻璃和液晶調(diào)光玻璃。

　　1、電致調(diào)光玻璃

　　1.1、電致變色材料及電致變色原理

　　電致變色效應(yīng)是指在電場或電流作用下.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(xiàn)象.具有電致變色效應(yīng)的材料通常稱之為電致變色材料。根據(jù)變色機理，電致變色材料可分為三類：氧化態(tài)下無色、還原態(tài)下著色的陰極變色材料;還原態(tài)下無色、氧化態(tài)下著色的陽極變色材料;在不同價態(tài)下具有不同顏色的多變色電致變色材料。顯然。能在調(diào)光玻璃上應(yīng)用的應(yīng)是前兩種材料。電致變色材料主要有無機過渡金屬氧化物(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(diào)光玻璃的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　電致調(diào)光玻璃通常由普通玻璃及沉積于玻璃上的數(shù)層薄膜材料組成。其各層按順序分別為透明導(dǎo)電層(TC)、電致變色層(EC)、離子導(dǎo)體層(IC)、反電極層(CE)或離子儲存層和另一透明導(dǎo)電層(TC)。其中EC層是電致調(diào)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(dǎo)變色過程中的離子，沒有電子傳導(dǎo)，否則會自放電而造成自行變色。

　　電致調(diào)光玻璃對光線的調(diào)節(jié)有吸收調(diào)節(jié)和反射調(diào)節(jié)兩種方式，圖1為電致調(diào)光玻璃在著色態(tài)和退色態(tài)下的光譜曲線。

　　1.3、電致調(diào)光玻璃的研究現(xiàn)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，則反電極用陽極電致變色材料。在外加電壓作用下，陰極、陽極將會同時著色和退色，從而使著色態(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)下著色，NiO在氧化態(tài)下著色，因而可使變色加深。同樣.當WO處于氧化態(tài)時，NiO為還原態(tài)，從而可產(chǎn)生出高透過率的玻璃。離子導(dǎo)體層通常采用固態(tài)膜，因為雖然液體電解質(zhì)有響應(yīng)速度快、制作簡單等優(yōu)點，但也有難以封裝、液體泄漏等弊端，無實用價值。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(wěn)定，因此，¨離子固體導(dǎo)體受到人們的極大關(guān)注。LiF、LiA1F4、LiN、LiA1C1等¨離子導(dǎo)體薄膜均具有較好的性能。

　　電致調(diào)光玻璃中使用最多的透明導(dǎo)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(guī)格的電致調(diào)光玻璃來說.透明導(dǎo)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。就玻璃窗的實際規(guī)格來說，薄膜電阻應(yīng)小于20m：

　　2、熱致調(diào)光玻璃

　　2.1熱致調(diào)光玻璃的工作原理

　　熱致調(diào)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(gòu)成。經(jīng)過幾十年的研究和發(fā)展.人們已經(jīng)開發(fā)出了無機、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(diào)光玻璃來說，變色溫度要處于低溫區(qū)才具有實用價值。在眾多可逆熱致變色材料中，以釩的氧化物為基礎(chǔ)的薄膜涂層是人們研究的熱點。其中，VO是人們最感興趣的氧化物，因為它的相變溫度(q'C)是68℃，在實際應(yīng)用中具有重要意義。當溫度低于68℃時，VO呈單斜晶系結(jié)構(gòu);溫度高于68℃時，呈四方晶系結(jié)構(gòu)。由于晶系結(jié)構(gòu)的變化，VO的光學性質(zhì)發(fā)生了很大的變化，而且這種變化是可逆的。圖3是VO薄膜相變前后透過率和反射率在太陽光譜范圍內(nèi)的變化情況。

　　VO薄膜實用化的前提條件是將其相變溫度由68℃降至接近室溫。實驗證實，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(yīng)力的方法來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通過摻雜0.9%的鎢鍍制了相變溫度為38℃的VO薄膜。

　　2.2、熱致調(diào)光玻璃研究新進展

　　多年來，人們一直致力于低溫熱致調(diào)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(diào)光材料。這種新型熱致調(diào)光材料包含至少兩種折射系數(shù)不同的物質(zhì)。在溫度較低時，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，此時材料透明：隨著溫度升高，分子熱運動加劇，當溫度升高到某一特定值時，發(fā)生相分離，形成無數(shù)個細微顆粒.對入射光造成強烈散射，因為大部分光線被漫反射，故此時材料變成不透明的白色。

　　這種新型熱致調(diào)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(diào)光玻璃，并且制成的調(diào)光玻璃因光學性能好、響應(yīng)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形成的均相交聯(lián)凝膠，當溫度升高到某一特定值時，云膠發(fā)生相分離.聚合物組分形成無數(shù)個尺寸和入射光波長相當?shù)念w粒，散射入射光，見圖3。

　　日本富士XEROX公司則解析并且模仿烏賊和章魚等頭足綱動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，光線通過;溫度升高時，包裹著顏料的高分子凝膠體體積膨脹大約30倍，遂遮住陽光。

　　3、液晶調(diào)光玻璃

　　3.1、液晶調(diào)光玻璃的結(jié)構(gòu)

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

　　3.2、液晶調(diào)光玻璃的工作原理

　　液晶分子通電前雜亂地排列，可使平行光線散開，即不透明狀態(tài)：而通電后液晶分子排列呈一個方向，從而可讓平行光線通過，即透明狀態(tài)，見圖5。液晶被封入樹脂中，即使萬一玻璃破碎，液晶也不會流出，安全性較好。

　　3.3、液晶調(diào)光玻璃研究所面臨的問題

　　從工業(yè)化開發(fā)方面考慮，需要研究的內(nèi)容有：(1)研制壽命長、響應(yīng)速度快、使用電壓低且價格便宜的液晶材料;(2)樹脂封裝技術(shù)，要求樹脂是透明的，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(jié)束語

　　美國SERI研究所的一項研究結(jié)果表明，調(diào)光玻璃可以使建筑物內(nèi)的空調(diào)能耗降低25%左右，同時，還可以起到裝飾作用.并可減少室內(nèi)外的遮光設(shè)施，如窗簾、百葉窗等的裝置費用。正因為有如此多的優(yōu)點，美國、日本、歐洲等國家和地區(qū)相繼制定計劃，紛紛投入大量人力和財力，對調(diào)光玻璃進行研究。世界調(diào)光玻璃市場也在逐年擴大，2000年已達2000億日元。在調(diào)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(yīng)借鑒國外的研究經(jīng)驗，促進我國調(diào)光玻璃研究的發(fā)展。