智能玻璃在建筑中的应用及其检测技术研究进展

吴前进

江苏建学工程技术有限公司 江苏 宿迁 223700

0 引 言

智能玻璃是一种新型建筑材料，可以接受外界环境刺激而产生特定的功能应对，如通过电气信号来调节玻璃的透明度，从而控制室内外的光线和热量传递。智能玻璃的发展源于对节能、环保和舒适性的追求，以及对建筑外观和功能的要求，可以根据外界光线和温度变化自动调节透光度和隔音效果，减少建筑内部使用的人工照明和空调能耗，为建筑提供更加舒适的室内环境，保护建筑内部的私密性和安全。智能玻璃材料还可以为建筑带来更灵活和创新的设计，如设计可变形状的玻璃幕墙，提高建筑的美观和视觉效果。在我国，“智能玻璃与高安全功能玻璃关键技术开发”被列入“十三五”国家重点研发计划专项。

随着科学技术的不断发展和市场需求的不断增长，智能玻璃当前及潜在的市场价值也在不断提高。根据市场研究公司Mordor Intelligence发布的题为“Global Smart Glass Market—Growth，Trends，and Forecast（2020—2025）”的报告，全球智能玻璃市场的规模将持续增长，预计到2025年，全球智能玻璃市场规模将达30 亿美元以上。随着智能城市和智能家居的发展，智能玻璃的需求将不断增加。除了传统的建筑领域之外，智能玻璃还将应用于交通、能源、医疗、教育、广告和娱乐等多个领域。如智能玻璃可用于提升建筑的隔音、防火和防弹性能，进而提高建筑的安全性和舒适度；可用于汽车、飞机和火车等交通工具的车窗、顶棚和隔断等，根据太阳光的强弱自动调节透明度，以达到最佳的太阳能收集效果；还可以用于提升绿色建筑的节能和环保性能，提高建筑的能源利用效率并减少环境污染；在医疗领域，用于医疗设备和病房的隔断等。

1 智能玻璃材料的研究进展

1.1 电致变色智能玻璃材料

电致变色技术是智能玻璃材料的一项核心技术，其原理是利用电场作用下的电致变色效应，使玻璃材料的透明度发生改变［1］。在智能玻璃的制作过程中，将一层电致变色涂层覆盖在玻璃表面，形成一种光学薄膜。当电流通过涂层时，涂层中的分子会发生重排，从而改变聚合物的透明度。这种涂层材料通常由氧化物、硫化物、氟化物、锰酸盐和钒酸盐等化合物组成。这些化合物具有光学响应性能，可以在电场作用下改变其结构和性能，从而改变玻璃的透明度［2-3］。

近年来，关于电致变色玻璃材料的研究正在不断深入和扩展。Song等［4］通过化学浴沉积（CBD）技术结合热解工艺制备了负载在TiO2纳米管阵列中的WO3纳米颗粒，所得的混合纳米管阵列在不同的电位偏压下显示出多级着色电致变色响应。与未修饰的纳米管阵列相比，使用复合膜可以实现更长的寿命、更高的对比度（漂白时间/着色时间）和增强电致变色性能。Nguyen等［5］提出了一种新的策略来延长RME器件的稳定性和提高其效率，利用氧化钨这种众所周知的电致变色材料，对透明导电电极的表面进行改性，成功制备了优越、稳定和高效的器件。通过施加0.5～0.8 V的低电势，RME器件可以在漂白状态和着色状态之间快速切换，氧化钨膜在酸性介质中的屏蔽作用使器件的寿命显著增加（超过1 500 次循环）。Berton 等［6］采用水性工艺，通过溶胶-凝胶浸渍法制备了CeO2-SiO2固体薄膜，用作电致变色器件中的对电极层，用计时电流法测定了二氧化硅的加入对氧化铈涂层电化学性能的影响，薄膜表现出了更大的电荷存储容量。

电致变色智能玻璃材料常见的性能检测内容有透光度、周期性、耐久性和防眩光性，所用的检测仪器或方法如表1 所示。

表1 电致变色玻璃材料性能检测方法Tab.1 Testing methods for electrochromic glass materials

电致变色玻璃材料的优点在于它可以适应不同的环境和需要，实现玻璃自动调节透明度。如在夏季，通过自动调节透明度，减少建筑物的热量和紫外线辐射；在冬季，保持建筑物室内的温暖和舒适，并适应不同的光照条件和视野需求。此外，智能玻璃还可以用于能源领域，如太阳能电池板，可通过调节透明度来提高太阳能电池板的效率。

1.2 自清洁智能玻璃材料

智能玻璃的自清洁技术是近年来的一个研究热点。智能自清洁玻璃是一种通过特殊涂层或处理方式实现自动清洁的玻璃材料，其原理主要是利用涂层表面的光催化作用和疏水性质，使污垢和水分在阳光和风力作用下自动分解和排除，从而实现自动清洁的效果。具体来说，智能自清洁玻璃的涂层通常由氧化钛、氟碳等材料组成，这些材料具有光催化作用和疏水性质。当太阳光照射到涂层表面时，涂层表面的氧化钛会吸收光子并产生电子空穴对，从而促进有机物的氧化分解，同时，涂层表面的疏水性质也可以使得水分和污垢无法附着在表面上，从而实现自动清洁［7-8］。Shi 等［9］采用超声雾化技术，成功制备了TiO2水溶胶和聚乙二醇（PEG）涂层的高透明玻璃。实验证明，所制备的玻璃表面具有良好的非紫外活化超亲水润湿和防雾性能，这些性能受煅烧温度的影响显著。Andra等［10］通过喷涂法，在浮法玻璃窗表面沉积Ti-Zr薄膜，并将其暴露在3种不同的环境中20 个月。研究表明，Ti-Zr薄膜具有显著的光催化活性，同时展示出了良好的防雾效果。Sun等［11］采用溶胶-凝胶法在不同的提取速度下将透明的超亲水TiO2薄膜浸涂在玻璃基底上，所制备的薄膜在可见光谱（400～800 nm）上都是透明的，平均透射率超过70%。在高取出速度下，可以获得具有高透射率（在500 nm下大于90%）和良好自清洁性能（WCA＜5°）的薄膜。

自清洁智能玻璃材料常见的性能检测有疏水性、透光度、自清洁性和光学特性，所用的检测仪器和方法如表2 所示。

表2 自清洁智能玻璃材料性能检测方法Tab.2 Testing methods for self cleaning smart glass materials

总的来说，自清洁玻璃的优势包括节约清洁成本、减少对环境的污染、提高透光率、增强耐候性和安全性。自清洁玻璃能够自动清洁，无需人工维护，可以节约清洁成本；且不需要使用化学清洁剂，可以减少对环境的污染。自清洁玻璃的表面不会有水滴或污垢附着，可以始终保持较高的透光率。除此以外，自清洁玻璃的涂层可以防止紫外线侵蚀，从而增强其耐候性。

1.3 自愈合智能玻璃材料

智能玻璃材料的自愈合技术是近年来的另一个研究热点。自愈合玻璃材料是一种具有自修复能力的材料，其主要是利用内部微观结构设计和特殊材料组成，以实现材料在受损后自动修复的效果。具体来说，自愈合玻璃主要由两部分构成：一是玻璃基质，二是微观结构设计的自愈合层。自愈合层通常由聚合物、树脂等材料组成，还包括一些特殊的化学物质，如荧光染料、硬化剂等。当自愈合玻璃受到划伤、冲击等损伤时，自愈合层中的化学物质会被释放出来，形成自愈合效应［12-13］。具体来说，荧光染料会吸收光子，并发生荧光反应，从而产生热能，加速化学反应的进行。硬化剂则可以在荧光染料的作用下迅速固化，填充划痕和裂缝，从而实现自动修复。此外，自愈合玻璃的微观结构设计也起到了关键作用。自愈合层中通常包含许多微小的球形空腔，当玻璃受到损伤时，这些空腔会被破坏，从而释放出自愈合层中的化学物质。同时，自愈合层的微观结构也可以使得自愈合层与玻璃基质之间形成紧密结合，从而增强自愈合效果。

自愈合玻璃材料的研制难度很大，这是因为非晶体高分子量聚合物由于长聚合物链的缠结而形成机械坚固的材料。一旦材料断裂，除非将其加热熔化，否则很难修复，因为纠缠的聚合物链扩散太慢，无法在合理的时间内将断裂部分结合起来。Yanagisawa等［14］报道了低分子量聚合物，当通过密集的氢键交联时，尽管其扩散动力学极其缓慢，但仍能产生机械坚固但易于修复的材料。一个关键是使用硫脲，它形成锯齿形氢键阵列，不会引起不利的结晶；另一个关键是结合一种用于激活氢键对交换的结构元件，这使得断裂部分在压缩时能够更容易地重新结合。

自愈合智能玻璃材料常见的性能检测方法有自愈合性能、透光度和耐久性测试，所用的检测仪器或方法如表3 所示。

表3 自愈合智能玻璃材料性能检测方法Tab.3 Testing methods for self healing smart glass materials

自愈合玻璃的优势在于可有效提高建筑玻璃的安全性，具有自我修复能力，能够有效修复细小的裂纹和划痕，从而提高建筑玻璃的安全性；减少建筑维护和更换玻璃的成本；还可以为建筑带来更多的创新性设计。

2 智能玻璃材料的发展展望

目前，国内外对智能玻璃的研究主要集中在以下几个方面。

材料研究：智能玻璃的核心是可调节透明度的材料。国内外研究人员通过改变材料的化学成分、结构和制备方法，探索了新型智能玻璃材料。如利用液晶、电致变色材料、电极材料等，实现智能玻璃的调节功能。此外，还有研究人员通过纳米技术改变材料的微观结构，提高了智能玻璃的性能。

控制系统研究：智能玻璃的透明度调节需要一个可靠的控制系统。国内外研究人员致力于开发高效、稳定的控制系统，以实现智能玻璃的智能化控制。如利用传感器和反馈控制算法，实现智能玻璃对光照、温度等环境参数的感知和调节。

应用研究：智能玻璃在建筑、汽车等领域具有广泛的应用前景。国内外研究人员通过实际应用案例研究，评估智能玻璃在不同场景的性能和效益。如研究人员在建筑中使用智能玻璃时，可以实现节能、隐私保护等功能；在汽车中使用智能玻璃时，可以提高驾驶安全性和乘坐舒适度。

可持续发展研究：智能玻璃的研究也与可持续发展密切相关。国内外研究人员致力于开发环境友好型的智能玻璃材料和制备方法，从而减少对环境的影响。如研究人员探索利用可再生能源驱动智能玻璃的调节功能，以减少对传统能源的依赖。

3 结 语

智能玻璃作为一种高科技建筑材料，具有可调节性、节能性、环保性、保护隐私等优点。但当前相关技术的发展仍不够成熟，如目前的制备方法十分复杂、制备效率和稳定性都有待提高、最终产品的功能可靠性不足等。因此，智能玻璃技术的发展仍需投入更多的资金和技术。在不同使用场景下，关于智能玻璃的材料及控制系统仍是当前重点研究方向。随着智能玻璃技术的不断发展和成熟，其应用领域和市场规模必将不断扩大。