单银基低辐射玻璃的光热性能

代如成，王中平，张增明，孙腊珍

(中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026)

1 引 言

低辐射镀膜玻璃是指在玻璃表面镀上多层金属或其他化合物的膜系玻璃，又称低辐射镀玻璃[1-2]. 由于这层膜的存在，使镀膜玻璃与普通玻璃相比表面辐射率更低且具有光谱选择性. 低辐射层膜对波长2.5～40 μm范围的远红外线有较高的反射能力，这种良好的阻隔热辐射透过特性，使其在冬季将室内的热辐射绝大部分反射回室内，保证室内热量不向外散失；在夏季可以阻止室外的热辐射进入室内，从而达到节能效果[3-5]. 同时低辐射玻璃又具有良好的可见光透过性能，可满足室内良好的采光要求，是一种新型的绿色、节能玻璃产品.

通常情况下，衡量低辐射玻璃性能的光学、热学参量主要有：可见光透射比(τ)、遮阳系数(Sc)、传热系数(K)等. 可见光透过比反映玻璃的采光能力；遮阳系数说明玻璃阻挡阳光向室内直接辐射的性能；传热系数是指在稳定传热条件下，室内外空气温差为1 ℃，单位时间内通过1 m2窗玻璃的传热量，单位为W/(m2·K).K值越小，表明玻璃的保温隔热性能越好.

单银基低辐射膜层是由3层膜构成：第1层为氧化层，可以增加可见光的透过率，在玻璃衬底与功能层之间起到了粘合的作用，它的厚度决定了玻璃的颜色，氧化物一般为ZnO,TiO2,SnO2等[6-12]. 第2层为功能层，通常采用金属银，用来反射阳光中的红外线和吸收紫外线，决定了镀膜玻璃对阳光的反射率和透过率. 第3层为保护层，保护层的硬度比金属膜层高,耐磨与耐酸性也比金属膜层强，避免银膜与空气发生氧化，还可减少磨损和消除镜面反射等，保护膜一般为TiO2,SnO2,Si3N4等[6-12].

2 实 验

实验采用蒸发磁控溅射镀膜机(JCP-350M，北京泰科诺科技有限公司)制备薄膜样品. 膜层材料分别为SiO2/ZnO/Ag/Ti/ZnO/TiO2，各膜层的制备方法及工艺参量见表1.

表1 各膜层材料及其制备工艺参量

采用原子力显微镜(SⅡ NANOTECHNOLOGY INC., NANOCUTE)表征分析样品形貌与尺寸. 采用紫外-可见吸收光谱仪(SHIMADZU, SOLIDSPEC-3700)研究样品的可见光透过率，显微红外光谱仪(BRUKER, TENSOR)研究其红外光反射率. 在红外灯照射下，研究了薄膜样品的热学性能，实验参量为：光照距离37 cm,光照功率3 000 W,光照时间230 s,灯光波长700～5 000 nm,环境温度16 ℃.

3 结果与讨论

3.1 镀膜玻璃形貌表征

采用AFM对薄膜表面形貌和尺寸进行研究. 射频溅射TiO2在玻璃表面生长形貌如图1所示. 由二维图像可见，TiO2薄膜表面呈现致密且组织均匀的纳米颗粒形态，尺寸在10～20 nm. 从三维形貌看，颗粒清晰可见，结晶完整，薄膜样品表面均匀平整.

(a)二维形貌

(b)三维形貌图1 镀膜玻璃的AFM图像

3.2 镀膜玻璃的透过率与反射率研究

图2(a)是普通玻璃与镀膜玻璃在可见光波段的透射光谱. 普通玻璃在可见与近红外波段都有很高的透过率. 与普通玻璃相比，镀膜玻璃在可见光波段有很高透过率，峰值在700～800 nm之间，在近红外波段透过率则很低. 图2(b)是普通玻璃与镀膜玻璃在红外光的反射光谱. 普通玻璃在中远红外波段的反射率在40%以下，而镀膜玻璃在中远红外波段的反射率在50%以上. 镀膜玻璃具有高的可见光透过率，保证了高的采光性，在红外波段具有很高的反射率，从而有效地阻挡了热辐射.

(a)透射光谱

(b)反射光谱图2 普通玻璃与镀膜玻璃的透射光谱和反射光谱

可见光透射比(τ)是指在可见光范围内(波长380～780 nm)，透过玻璃的可见光光通量与入射在玻璃表面的可见光光通量之比：

实验镀膜玻璃的τ为65.3%，工业标准τ为76%[3,13]. 可见光透射比大，则玻璃通透效果好，室内照明能耗小；可见光透射比小，则玻璃遮蔽视线的效果好，室内照明能耗会有所增加.

遮阳系数(Sc)是指太阳辐射能量透过玻璃系统的量与透过相同面积3 mm厚透明玻璃的量之比：

实验镀膜玻璃的Sc为55.4%，工业标准白玻璃的Sc为62%[3,13].Sc值越小，玻璃阻挡太阳辐射直接进入室内的性能越好，越能降低夏季室内空调负荷.

3.3 镀膜玻璃的热学性能研究

镀膜玻璃与普通玻璃经红外烤灯照射后，比较普通玻璃与镀膜玻璃的向光面与背光面温度随时间变化.

图3(a)是普通玻璃的向光面与背光面温度随时间变化. 由图可见，红外光照射时间在100 s内，普通玻璃的向光面与背光两面温度随时间增加，温度均升高，温差增大；此后随着照射时间增加，向光面与背光面温度均缓慢升高，当时间达到220 s时，普通玻璃的向光面与背光面温度趋向一致. 图3(b)是镀膜玻璃的向光面与背光面温度随时间变化. 由图可见，随红外灯照射时间增加，镀膜玻璃的向光面与背光面温度均升高，但背光面的温升速率明显小于向光面的温升速率，两面温差逐渐增大. 当照射时间达到200 s以上时，镀膜玻璃两面的温差基本恒定在26 ℃. 与普通玻璃相比，镀膜玻璃向光面的温升速率高于普通玻璃向光面的温升速率，最高温度分别达到50 ℃和38 ℃. 这是由于镀膜玻璃能有效地反射照在玻璃表面的大量热能，从而加快了向光面的温升速率. 而镀膜玻璃背光面的温升速率却明显低于普通玻璃的背光面的温升速率，且镀膜玻璃背光面最高温度只达到23 ℃，明显低于普通玻璃的38 ℃. 这是因为镀膜玻璃对红外光有很高的反射率，阻止了外侧热量的进入，能有效降低光照和热传导引起的背光面温度. 由此可见，实验制备的单银基低辐射镀膜玻璃具有良好的光热性能，明显优于普通玻璃的光热性能.

(a)普通玻璃

(b)镀膜玻璃 图3 普通玻璃和镀膜玻璃向光面与背光面温度

4 结束语

研究了单银基低辐射镀膜玻璃的光热性能. 在可见光波段，低辐射镀膜玻璃具有较高的透射率，其可见光透过比达到65.3%. 在近红外波段，具有较高的反射率，遮阳系数达到55.4%，同时镀膜玻璃也具有良好的热学性能. 该镀膜玻璃制备简单、性能优良，具有潜在的应用前景.

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