Ag系低辐射建筑节能玻璃性能研究进展

王孝丽，牛玉超*，肖辰，朱焰焰，刘相局，马晓宇

（1.山东建筑大学 材料科学与工程学院，山东，济南 250101；2.寿光润城建材有限公司，山东，寿光 262700；3.山东天诺光电材料股份有限公司，山东，济南250300）

Ag系低辐射建筑节能玻璃性能研究进展

王孝丽1，牛玉超1*，肖辰2，朱焰焰3，刘相局1，马晓宇1

（1.山东建筑大学 材料科学与工程学院，山东，济南 250101；2.寿光润城建材有限公司，山东，寿光 262700；3.山东天诺光电材料股份有限公司，山东，济南250300）

随着国家节能减排力度的加大，国家建筑节能政策和设计标准均要求建筑业采用低辐射玻璃来实现门窗节能降耗。低辐射玻璃因其较低的红外线辐射率，使其具有优异的节能效果。Ag系低辐射玻璃中功能层 Ag膜具有较低的电阻率和较高的红外线反射率，其沉积质量决定着低辐射薄膜的电学和光学性能，主导着低辐射玻璃的节能效率。文章分析了低辐射建筑节能玻璃应用的制约因素，阐述了低辐射玻璃的制备方法和节能原理，综述了改善功能层 Ag膜沉积质量和提高薄膜低辐射性能的方法及途径，即适当调整工艺条件、合理选用介质层材料及进一步优化膜层结构等，展望了低辐射建筑节能玻璃的发展前景。

低辐射玻璃；建筑节能；红外线反射；Ag膜

0 引言

随着我国经济的飞速发展，建筑物规模越来越大，建筑能耗占全国总能耗的比重也在日益攀升［1］。实施节能降耗的绿色建筑对于我国经济可持续发展具有重要意义［2］。在建筑物运行的总能耗中，通过普通门窗损失的能量占到 50%左右，门窗节能必然成为实施绿色建筑的一项重要内容。国家中长期科学与技术发展规划（2006～2020）中指出，必须将低辐射（Low-E）玻璃作为节能领域重点开发与升级的项目［3］。因此，我国建筑行业高度重视 Low-E玻璃生产技术的研究及其应用领域的推广。

Low-E玻璃是指在玻璃表面涂镀一层或几层具有低辐射功能膜从而达到节能功能的玻璃。Low-E玻璃优异的节能功能使得美国、日本及欧洲等国家和地区纷纷立法强制使用Low-E玻璃门窗，特别是德国，在1995年就已经立法规定翻新或新建建筑必须采用 Low-E玻璃门窗，如今德国的Low-E玻璃使用率高达 92%以上［4］。我国 Low-E玻璃的使用率仅占整个建筑玻璃的15%左右，可见 Low-E玻璃在我国发展空间仍然巨大［5］。

目前Low-E的应用还受到诸多因素的制约。一方面商用Low-E玻璃的可见光透过率在 80%左右，红外线反射率也仅在 75%左右，进一步提高Low-E玻璃的性能使其获得更优异的节能效果难以实现。另一方面，Low-E玻璃多用于制造中空玻璃而不单片使用，低辐射膜在制备中空玻璃的高温条件下难以保持其性能的稳定性。文章根据国内外研究现状，对 Low-E玻璃的制备方法、节能原理等方面进行综述并重点阐述了优化 Low-E玻璃导电性、可见光透过性、红外线反射性、高温耐久性等性能的方法，对 Low-E玻璃未来的发展及应用予以展望。

1 玻璃的制备方法

Low-E玻璃的制备方法可分为在线法和离线法两大类。在线法是指在普通浮法玻璃生产线上利用高温热解法生产制作 Low-E玻璃的方法。离线法是指在玻璃下了生产线以后用真空蒸镀或磁控溅射等工艺在玻璃表面镀制低辐射薄膜的方法。在线镀膜由于是在玻璃生产过程中进行镀膜，所以减少了对膜层的污染，薄膜与基体结合力较强。离线法镀制的薄膜中存在金属层，为防止金属层遭到破坏，使用离线法制备的Low-E玻璃不能进行加热变形处理，但离线膜的使用性能、热学和光学性能等均优于在线膜，并且可以通过改变工艺参数对薄膜的各项指标进行合理控制［6］。因此，离线膜获得的性能比在线膜更能满足实际应用需求，目前对低辐射膜的研究也主要集中于离线膜。

离线膜多采用介质层／金属层／介质层（DMD）结构，其中，金属层一般选择Au、Ag、Cu、Al等导电性能良好的材料。图1给出了13 nm的Au膜、Ag膜、Al膜和Cu膜在350～900 nm波段吸收光谱（如图1（a）所示）和透过光谱（如图1（b）所示）。在可见光范围内，Ag膜的透过率高，其吸收率却低于5%，而 Au、Cu、Al的吸收率则分别高于8%、12%、10%，尤其是波长在 400 nm附近时，Au和 Cu的吸收率可达34%［7］。另外，Ag的红外线反射率高、发射率低、导电性良好（电阻率仅为 6.7×10-5Ω·cm），因此，Ag系离线玻璃性能更加优异［8］。

图1 13 nm的 Au膜、Ag膜、Al膜和 Cu膜在 350～900 nm波段光谱图［7］

2 离线Low-E玻璃的作用及其节能原理

在夏季，门窗等围护结构上采用 Low-E玻璃可以使大部分的可见光通过，阻止太阳光中携带大量辐射能的红外线以及室外地面、建筑物发出的红外辐射进入室内，节省降温能源 60%以上；在冬季，Low-E玻璃又可以强烈反射室内取暖设备等物体和人发出的红外辐射，阻止热量向外界散失，节省取暖能源70%以上［9］。Low-E玻璃既调节了室内温度又减少了能量消耗。

图2为普通玻璃、Low-E玻璃的透射谱和反射谱以及太阳光谱，图中细虚线和细实线、粗虚线和粗实线分别表示普通玻璃、Low-E玻璃的透射谱和反射谱。由图2可知，普通玻璃在可见光和红外线范围的透过率高，反射率低；Low-E玻璃在可见光范围的透过率高，反射率低，但在红外线范围的透过率降低，反射率升高［10］。由于入射光的热辐射会激发低辐射膜中金属层的电子震荡，可见光范围的辐射频率特别高，电子无法跟上电磁场的变化，因此 Low-E玻璃可见光范围的透过率高。由于金属层电导率高，波长越大，其入射波能量越低，则越不能穿过该膜层，故Low-E玻璃红外线范围透过率TIR越小，在远红外波长范围内，TIR≈0［11］。而且波长从可见光向红外线范围提高时，入射波的辐射频率逐渐降低至小于电子的震荡频率时，电子在一个震荡周期内不能把所接受的所有辐射能量都传递给固体的晶格，因此在红外线范围内 Low-E玻璃的吸收率 AIR很低［12］。根据基尔霍夫定律和能量守恒定律，可得薄膜红外辐射率 εIR和反射率 RIR与吸收率AIR之间关系式（1）、（2）分别为

图2 Low-E玻璃与普通玻璃光学性能的比较图［10］

由式（1）和（2）可知，低辐射薄膜的εIR很低、RIR很高，Low-E玻璃在红外波长范围内具有低辐射、高反射性能。

3 Ag系 Low-E玻璃性能的改善

3.1 优化工艺参数

3.1.1 沉积时间

镀膜过程中，薄膜的厚度受到多个工艺参数共同控制，但沉积时间必定与其成正比关系，合理控制Ag膜的沉积时间对于改善低辐射膜的表面形态和结构至关重要。沉积时间较短时，衬底表面上的 Ag以三维形核方式生长成一个个孤立的岛，对光线散射作用强烈，可见光透过率低，Ag层表面粗糙度大；随着沉积时间的增加，Ag层厚度增大，岛之间的沟道和空穴被 Ag原子填充，岛开始相互连接并最终形成连续薄膜，此时薄膜表面粗糙度最小，导电和透过性能最佳；在连续薄膜上继续沉积 Ag，Ag又开始按三维方式生长，导致表面粗糙度开始上升，虽然Ag膜方阻也在缓慢下降，但是薄膜可见光透过率下降显著。Miao等发现Ag膜在厚度为5 nm时，表面粗糙度较大，结晶程度低；当厚度增加至 10 nm时，Ag膜开始由不连续向连续状态转变，此时低辐射薄膜的可见光最大透过率可达89.8%；当 Ag膜在厚度为13 nm时，形成连续致密薄膜，表面粗糙度最小，方阻达到 4.36 Ω／sq，红外反射率为 96%［13］。Indluru等通过对低辐射薄膜电学和光学进行分析推断Ag膜形成连续薄膜的确切膜厚为8 nm；在 Ag膜厚度为5.5～7 nm时，影响薄膜导电性（主要指载流子的迁移率）的散射机制主要为界面散射；在Ag膜厚度为8～10.5 nm时，晶界散射则占主导地位［14］。

3.1.2 阴极电压

在溅射过程中，Ar粒子会在 Ag靶表面发生背散射现象，此时 Ar粒子的动能远大于 Ag粒子的动能，所以 Ar粒子具有足够的能量来阻碍 Ag膜的生长。Kato等发现当阴极电压由471 V减小至 379 V时，Ar粒子的背散射能量将会降低 20%左右，使厚度为10 nm的 Ag膜的方阻由 5.1 Ω／sq降低至4.4 Ω／sq；由于减小阴极电压对Ag粒子的动能没有影响，却可以降低 Ag靶表面 Ar粒子的背散射动能，因此，较小的阴极电压在一定程度上减小了背散射 Ar粒子对 Ag膜生长的阻碍作用，增强了 Ag膜择优生长的趋势，Ag晶粒尺寸也会随之增大，Ag膜晶粒度得以改善，利于薄膜获得更低的方阻［15］。另外，他们还发现当阴极电压由449 V减小至 371 V时，厚度为13 nm的 Ag膜的表面粗糙度 Ra得以改善，Ra由2.0 nm降低至1.3 nm；在金属 Ag层的膜厚与电子的自由程可比拟时，表面粗糙度的降低将会减弱电子在金属表面的漫散射，从而促进 Ag膜获得较低的方阻［16］。

3.2 改变介质层材料

3.2.1 氧化物衬底

DMD结构介质层大多是由金属氧化物组成，外层介质膜既是保护膜也是减反射膜，具有防止Ag层氧化、提高薄膜耐磨性和可见光透过率等作用；内层介质膜的主要作用是提高 Ag的附着力，其表面粗糙度和润湿性影响功能层 Ag膜的生长方式（二维生长或三维生长），因此，选择合适的氧化物衬底材料对于改善Ag系Low-E膜结构和性能至关重要。蔡彬等发现 TiO2衬底表面非常光滑、粗糙度很小，在其上沉积厚约10 nm的Ag层即可形成连续均匀的薄膜结构［17］。Chiu等发现TiO2作为Ag膜衬底时还可以明显提升 Low-E玻璃的透过性能，使其在可见光平均透过率达到 89%［18］。Alvarez等在研究 ZnO衬底对 Ag膜形核和生长的影响时发现，ZnO与 Ag之间润湿性好，ZnO作为衬底有利于形成连续的Ag膜并降低薄膜方阻和辐射率［19］。Kato等还发现在光滑且结晶性较好ZnO上沉积的Ag膜易于形核结晶，Ag膜表面粗糙度得以改善，电阻率降低了35%；薄膜的可见光和近红外光波长范围吸收率也会随着表面粗糙度和电阻率的减小而降低［20］。

3.2.2 氮化物介质层

采用氮化物膜作为Low-E膜介质层可以避免溅射顶层氧化物介质膜时Ag容易与氧气反应的问题。Loka等发现TiN／Ag／TiN低辐射膜中 TiN可以阻挡Ag的扩散和氧化，即使经过温度高达873 K的退火工艺，薄膜仍能保持其光学和电学性能稳定右［21］。Reddy等发现 TaNx介质层可以促进Ag膜的二维生长过程，使 Ag膜更加均匀连续，TaNx衬底上Ag膜的方阻仅为玻璃衬底上Ag膜的1／3；折射率差值较高的 TaNx／Ag界面又易发生表面等离子激元高效耦合现象，促使薄膜获得低方阻和低红外辐 射 率 的 同 时 大幅 提 高 见光 透 过 率［22］。Subramanian等发现 TiAlN介质层有沿着与面心立方结构中（111）和（200）晶向生长的择优取向，这有利于Ag膜在 TiAlN薄膜表面上形核结晶并最终形成均匀连续的薄膜［23］。

3.3 优化低辐射薄膜的结构

3.3.1 添加介质层

不同的膜系结构会影响低辐射薄膜的质量，比如在玻璃基片上沉积单层 Ag膜时，其附着力主要来源于范德瓦尔斯力，所以 Ag膜附着力性比较差；结构为 SiO2／Ag／SiO2中 SiO2膜具有优良的亲水性，容易吸附水分而加速 Ag的氧化，导致 Ag膜附着力也比较差；在玻璃与 SiO2之间引入一层TiN可以得到 SiO2／Ag／SiO2／TiN低辐射薄膜，TiN膜中 Ti能与O形成 Ti-O键，N能与Si形成 Si-N键，增加薄膜的耐磨损能力和附着力［24］。除了 TiN层，Ti层也可以有效改善薄膜性能。Liu等发现在顶层 TiO2与Ag之间引入一层 Ti作为 TiO2／Ti／Ag／TiO2低辐射膜的界面层可以防止敏感的 Ag在溅射 TiO2时被氧化［25］。Lee等发现在低辐射膜中引入 Ti层还可以明显改变薄膜的表面形貌，降低表面粗糙度和提高薄膜耐热性［26］。

通过在DMD结构中引入多层介质膜还可以获得可钢化薄膜。Yang等在 SnO2／Ag／TiO2结构中引入多层介质膜并获得可钢化的Si3N4／SnO2／NiCrOx／Ag／ZnO／NiCrOx／TiO2／Si3N4／Glass。其中，顶层 的Si3N4膜的硬度为玻璃的3倍，有效地提高Low-E玻璃的硬度和耐磨性；底层 Si3N4利用其热处理中稳定的物理和化学性能，有效地控制和阻隔了玻璃中Na离子的渗入；上层未完全氧化的 NiCrOx作为保护层，可以防止功能层Ag膜被两侧扩散来的 O2氧化；下层 NiCrOx作为减反层夹在高折射率层TiO2和润湿层 ZnO之间。这种引入多层介质膜的优化结构可以提高低辐射膜在高温下的耐久性，保证钢化处理时薄膜方阻的稳定性［27］。

3.3.2 修饰Ag层

研究表明，在 Ag层中掺杂适当的其他金属元素（如Cu、Au、Pb等）而获得的 Ag合金结构能够明显改善 Ag膜高温下易聚集成岛的现象，但是Ag合金薄膜的导电性能远不如纯 Ag薄膜［28］。通过在DMD结构的Ag层中引入某些金属极薄层（如 Al、Ti、Mo等）形成D／M／Ag／M／D结构对Ag层性能进行修饰，可以在提高 Ag层抗氧化性能的同时维持其导电性能，保证低辐射薄膜在高温退火后光学和电学性能的稳定性。

Kawamura等发现在 Ag层中引入少量 Al可以获得Al／Ag／Al结构，其中 Al易形成很薄的 Al2O3氧化层，该氧化层可以提高 Ag与介质层之间的附着力，从而抑制Ag膜在退火时发生聚集成岛而导致透过率下降的现象［29］。Wang等发现在 Ag层中引入少量 Ti时，Ti扩散至 Ag表面后形成的 Ti／Ag／Ti结构中Ti易被氧化成 TiO2，TiO2可以促进Ag膜沿着（111）生长的择优取向，而（111）方向的 Ag具有密堆积晶体结构，有利于提高薄膜在高温下的稳定 性［30］。

4 展望

从质量和技术层面来看，目前国内生产用于建筑门窗的 Ag系 Low-E玻璃与国外先进水平尚有一定差距，且处在大力研究提高中。Low-E建筑节能玻璃中功能层 Ag膜的相关研究进展，不能完全涵盖目前人们研究的所有方面，尚需进一步的研究与探讨。随着世界各国对用于建筑门窗的 Ag系 Low-E玻璃质量要求越来越高，Low-E膜的性能优化及其他方面有待于更深入的研究开发。

从国家政策和行业标准来看，我国陆续出台了多项建筑节能政策和相关标准，均要求严寒地区民用建筑和公共建筑节能设计中门窗的传热系数 K值最高限值为2.2 W／（m2·K），中空Low-E玻璃的K值为2 W／（m2·K），普通玻璃及普通中空玻璃的K值均大于2.5 W／（m2·K）；同时，在镀膜玻璃的行业标准中规定镀膜玻璃的辐射率必须低于0.15，这是普通玻璃无法达到的，而 Low-E玻璃完全满足该要求。依据我国节能中长期专项规划的保守估计，在2015年至2017年，我国Low-E玻璃需求量将保持约20%的增速。节约能源是我国基本国策之一，国家将会出台更严格的节能政策，Low-E玻璃门窗在中国将会有更广泛的应用。

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（学科责编：吴芹）

Research progress of Ag based low-emissivity building energy saving glass

Wang Xiaoli1，Niu Yuchao1*，Xiao Chen2，et al.
（1.School of Material Science and Engineering，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China；2.Shouguang Runcheng Building Materials Company，Shouguang 262700，China）

As the nation is making greater efforts to save energy，low-emissivity（Low-E）glass is applied in windows and doors to save energy，which is required by the building energy policies and design standards.Low-E glass has excellent energy-saving effect due to its low infrared emissivity.The electrical and optical properties of Low-E films and the energy saving efficiency of Low-E glass are dominated by the deposition of Ag film due to its low resistance and high infrared reflectivity.This paper analyzes the limitations of applying Low-E building energy saving glass，reviews methods to improve the deposited quality of Ag film and enhance the low-emissivity performance of films after it describes the preparation and energy saving principle of Low-E glass，including appropriate adjusting of process conditions，rational using of material dielectric layers and further optimizing of the composite structure.At last，the development prospects of low-E building energy glass are pointed out.

Low-E glass；building energy save；infrared reflectivity；Ag film

TB43

A

1673-7644（2015）03-0277-05

2014-08-15

山东省引进国外智力项目（L37002013098）；济南市高校院所自主创新计划项目（201303067）

王孝丽（1989-），女，在读硕士，主要从事金属材料及其表面技术等方面的研究.E-mail：18906412960＠163.com

*：牛玉超（1959-），男，教授，博士，主要从事材料表面技术等方面的研究.E-mail：niuyuchao＠sdjzu.edu.cn