解读:建筑节能用调光玻璃技术

调光玻璃是一种新型的窗口节能材料.它通过调节太阳光透过率达到节能的效果。其作用原理：当作用于调光玻璃上的光强、温度、电场或电流发生变化时，调光玻璃的性能将发生相应的变化，从而可以在部分或全部太阳能光谱范围内实现高透过率状态和低透过率状态间的可逆变化。调光玻璃最初是为汽车工业开发的，最近，人们开始探讨此种玻璃的大规格化及其在建筑上的应用。

　　调光玻璃的核心是致变色材料。致变色材料根据作用原理不同可分为光致变色(photochromic)、电致变色(electrochromic)、热致变色(thermochromic)及液晶基(1iquid—crystalbased)等多种类型，但是，只有在无色透明和着色之间可逆变化的材料才可用于调光玻璃。光致调光玻璃主要用于眼镜行业.由于技术、成本及人居舒适性等原因。其在建筑应用方面实用价值有限，故本文主要讨论电致调光玻璃、热致调光玻璃和液晶调光玻璃。

　　1、电致调光玻璃

　　1.1、电致变色材料及电致变色原理

　　电致变色效应是指在电场或电流作用下.材料对光的透射率和反射率(词条“反射率”由行业大百科提供)能够产生可逆变化的现象.具有电致变色效应的材料通常称之为电致变色材料。根据变色机理，电致变色材料可分为三类：氧化态下无色、还原态下着色的阴极变色材料;还原态下无色、氧化态下着色的阳极变色材料;在不同价态下具有不同颜色的多变色电致变色材料。显然。能在调光玻璃上应用的应是前两种材料。电致变色材料主要有无机过渡金属氧化物(如W03、NiO、MoO3、V：0和IrO等)和有机化合物(如紫精类化合物、聚苯胺、镧系酞化氰等)。

　　关于电致变色材料的变色机理。人们已取得较一致的看法，即双注理论。变色被认为是材料中离子和电子注入或抽出而产生的。

　　1.2、电致调光玻璃的结构及工作原理

　　电致调光玻璃通常由普通玻璃及沉积于玻璃上的数层薄膜材料组成。其各层按顺序分别为透明导电层(TC)、电致变色层(EC)、离子导体层(IC)、反电极层(CE)或离子储存层和另一透明导电层(TC)。其中EC层是电致调光玻璃的核心部分。TC层作为引出电极，CE层用以提供和储存变色所需离子。IC层用作传导变色过程中的离子，没有电子传导，否则会自放电而造成自行变色。

　　电致调光玻璃对光线的调节有吸收调节和反射调节两种方式，图1为电致调光玻璃在着色态和退色态下的光谱曲线。

　　1.3、电致调光玻璃的研究现状

　　在众多电致变色材料中，阴极变色材料非晶氧化钨的研究最趋于实用，反电极一般采用与电致变色层互补的另一种电致变色材料，即如果变色层为阴极电致变色材料，则反电极用阳极电致变色材料。在外加电压作用下，阴极、阳极将会同时着色和退色，从而使着色态颜色更深而退色态透光率更高。这种互补变色的典型组合是WO一NiO，WO在还原态下着色，NiO在氧化态下着色，因而可使变色加深。同样.当WO处于氧化态时，NiO为还原态，从而可产生出高透过率的玻璃。离子导体层通常采用固态膜，因为虽然液体电解质有响应速度快、制作简单等优点，但也有难以封装、液体泄漏等弊端，无实用价值。Li离子是直径最小的金属离子(词条“金属离子”由行业大百科提供)，传输性能较稳定，因此，¨离子固体导体受到人们的极大关注。LiF、LiA1F4、LiN、LiA1C1等¨离子导体薄膜均具有较好的性能。

　　电致调光玻璃中使用最多的透明导电膜为含铟氧化锡(ITO)和含氟或铵的氧化锡(FrO或ATO)。对于大规格的电致调光玻璃来说.透明导电膜必须具有较低的薄膜电阻，以从玻璃边缘到中心减少电压降。就玻璃窗的实际规格来说，薄膜电阻应小于20m：

　　2、热致调光玻璃

　　2.1热致调光玻璃的工作原理

　　热致调光玻璃通常是由普通玻璃上镀一层可逆热致变色材料而构成。经过几十年的研究和发展.人们已经开发出了无机、有机、聚合物及生物大分子等各种可逆热致变色材料。但是，对于调光玻璃来说，变色温度要处于低温区才具有实用价值。在众多可逆热致变色材料中，以钒的氧化物为基础的薄膜涂层是人们研究的热点。其中，VO是人们最感兴趣的氧化物，因为它的相变温度(q'C)是68℃，在实际应用中具有重要意义。当温度低于68℃时，VO呈单斜晶系结构;温度高于68℃时，呈四方晶系结构。由于晶系结构的变化，VO的光学性质发生了很大的变化，而且这种变化是可逆的。图3是VO薄膜相变前后透过率和反射率在太阳光谱范围内的变化情况。

　　VO薄膜实用化的前提条件是将其相变温度由68℃降至接近室温。实验证实，相变温度随薄膜的制取方法和工艺而变化，另外还可以使用掺杂技术、氟化技术或降低表面应力的方法来降低薄膜的相变温度。通常所用的掺杂元素有铌、钼、钨等。F.C.Case通过掺杂0.9%的钨镀制了相变温度为38℃的VO薄膜。

　　2.2、热致调光玻璃研究新进展

　　多年来，人们一直致力于低温热致调光玻璃的研发，并取得了可喜的成果。美、德、英等国先后研制了一种新型低温(20℃～50℃)热致调光材料。这种新型热致调光材料包含至少两种折射系数不同的物质。在温度较低时，这些物质靠分子间的作用力在分子水平上混合，达成均一相，此时材料透明：随着温度升高，分子热运动加剧，当温度升高到某一特定值时，发生相分离，形成无数个细微颗粒.对入射光造成强烈散射，因为大部分光线被漫反射，故此时材料变成不透明的白色。

　　这种新型热致调光材料可分为两种，一种是云胶(水凝胶)，另一种是聚合物的混合物。将云胶封于玻璃夹层中可制成热致调光玻璃，并且制成的调光玻璃因光学性能好、响应速度快而备受人们关注。云胶是由水和一种聚合物在低温时形成的均相交联凝胶，当温度升高到某一特定值时，云胶发生相分离.聚合物组分形成无数个尺寸和入射光波长相当的颗粒，散射入射光，见图3。

　　日本富士XEROX公司则解析并且模仿乌贼和章鱼等头足纲动物色素细胞变色机理研制了一种颜料。把高浓度的颜料包裹在一种高分子凝胶体微粒中，常温状态下，光线通过;温度升高时，包裹着颜料的高分子凝胶体体积膨胀大约30倍，遂遮住阳光。

　　3、液晶调光玻璃

　　3.1、液晶调光玻璃的结构

　　液晶调光玻璃是根据液晶在电场作用下的有序排列特性而制成的一种新型玻璃，其基本结构见图4，将液晶或液晶与塑料的混和液封装在树脂中，两边衬以带有透明导电膜的LB偏光膜，然后封装在两块玻璃之间制得液晶调光玻璃。

　　3.2、液晶调光玻璃的工作原理

　　液晶分子通电前杂乱地排列，可使平行光线散开，即不透明状态：而通电后液晶分子排列呈一个方向，从而可让平行光线通过，即透明状态，见图5。液晶被封入树脂中，即使万一玻璃破碎，液晶也不会流出，安全性较好。

　　3.3、液晶调光玻璃研究所面临的问题

　　从工业化开发方面考虑，需要研究的内容有：(1)研制寿命长、响应速度快、使用电压低且价格便宜的液晶材料;(2)树脂封装技术，要求树脂是透明的，且不破坏液晶的材料；(3)偏光膜的工艺特性，寻找出易获得、透光性好和对环境要求不高的偏光膜。

　　4、结束语

　　美国SERI研究所的一项研究结果表明，调光玻璃可以使建筑物内的空调能耗降低25%左右，同时，还可以起到装饰作用.并可减少室内外的遮光设施，如窗帘、百叶窗等的装置费用。正因为有如此多的优点，美国、日本、欧洲等国家和地区相继制定计划，纷纷投入大量人力和财力，对调光玻璃进行研究。世界调光玻璃市场也在逐年扩大，2000年已达2000亿日元。在调光玻璃研究方面，日本和美国处于世界领先地位，我国在这方面的研究起步较晚，水平相对落后，应借鉴国外的研究经验，促进我国调光玻璃研究的发展。（来源：同济大学材料科学与工程学院）