【毕业学位论文】（Word原稿）ZrN基低辐射镀膜玻璃研究-热能工程

分类 号 密 级 编 号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 低辐射镀膜玻璃研究 石 川 指导教师 徐 刚 研究员 中国科学院广州能源研究所 申请学位级别 硕士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 2007 年 6 月 论文答辩日期 2007 年 6 月 培养单 位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 李戬洪 研究员 摘 要 I 摘 要 在建筑节能中， 太阳 光谱 选择性 透过 膜是 现代节能窗技术的重要组成部分 ，目前世界 许多 国家都在积极研究工艺简单、成本低廉、性能优良 的新型 论文根据 的 族元素氮化物 膜光学性质 和磁控溅射技术的原理，在国内外研究发展的基础上，针对 膜的 发展趋势，开展了 射频 磁控溅射制备 膜镀膜玻璃 研究。 本 课题 以 射频 反应磁控溅射方法作为制备手段，选择 靶材，以 反应气体，制备 对红外选择透过、可见光较高透过率的 玻璃膜膜，使之具有较好的光谱选择 选择性透过 和装饰效果，可应用 节能窗表面 。通过对膜层结构、各层膜厚、 负偏压 、 反应气体分压 等工艺条件的调整，成功 制备了4000 17000 种 玻璃的 膜系。 两种膜系光谱选择 透过 特性良好，均 可以作为 膜的工作层 。 从 透过率 、膜厚、沉膜时间、成膜速率、颜色等方面综合比较了 两 种膜系，发现 4000系在光学性能上对可见光红外透过选择性更强；其颜色等性能更符合美观等要求。 对两种膜系进行了探索性质的老化实验，实验发现两种膜系的热稳定性类似，抗热老化性能差；抗酸腐蚀性（ 泡 ）都比较好，由于 17000系氧化物层 厚度更大，抗腐蚀性更强。 本 论 文最后提出了要将这种光谱选择性 透过 膜推向实用化， 实验室需要研究的课题。 关键词 ： 膜；磁控溅射； 透过率 ； 老化中国科学院广州能源研究所 硕士毕业论文 or in a on is of At on of In we rN by rf on of as as on of on r in a 2 +Ar rN 2+Ar rN in as rf so of 000nm 7000nm to of in to on of an of It of is is 7000nm to 录 目 录 摘 要 . I . 录 . 一章 绪 论 . 1 能窗技术 . 1 筑节能与节能 窗术 . 1 能窗技术的研究现状 . 2 米薄膜节玻璃技术 . 8 能调控变色节能玻璃 . 8 辐射薄膜（ 热反射薄膜节能玻璃 . 13 膜节能玻璃及 璃研究现状 . 13 辐射薄膜节能玻璃的概念及节能原理 . 13 膜节能玻璃及 璃研究历史及现状 . 16 论文的研究内容及意义 . 19 课题 主要 内容 . 19 课题 的意义 . 19 第二章 薄膜的制备与表征 . 21 膜的光学设计的方法 . 21 层和双层减反射薄膜的设计方法 . 21 层或多层减反射膜系的设计方法 . 25 膜的光学设计 . 26 膜的膜系制备工艺实验 . 27 射成膜技术 . 27 中国科学院广州能源研究所 硕士毕业论文 溅射成膜设备 . 30 验过程 . 31 试仪器 . 34 结 . 35 第三章 薄膜制备实验结果及分析 . 37 英玻璃膜系 . 37 2/量比对 响 . 38 溅射工艺条件对 英玻璃膜系光学性质的影响 . 39 英玻璃膜系 . 43 2/量比对 . 44 2/量比对 . 45 2/量比对 . 48 2/量比对 . 48 英玻璃膜系 . 49 膜的溅射速率的确定 . 49 种 英玻璃膜系的制备 . 50 种 英玻璃膜系的光学性能比较 . 51 结 . 52 第四章 薄膜老化实验及结果分析 . 53 膜老化实验背景 . 53 膜表面光学性能要求及老化影响因素 . 53 验内容 . 53 膜老化实验程序及要求 . 54 温老化实验 . 54 液浸泡实验 . 54 验结果及分析 . 55 目 录 V 温老化实验 . 55 液浸泡实验 . 57 结 . 58 第五章 结论与展望 . 59 参考文献 . 61 攻读学位期间发表论文及专利 . 66 致 谢 . 67 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 能窗技术 筑节能与节能窗术 建筑节能是在 1973 年发生世界性“石油危机”之后，日益发展壮大起来的。随着石油等一次能源的日益紧张，能源紧张问题已经成为世界公认的重要课题，国内各大城市也出现了电力吃紧等状况，所以作为解决这一问题的两个方面：开源节流 新能源的开发和节能技术 被提升到前所未有的高度。特别是节能技术，它已经渗透到能源使用的整个过程。在建筑节能领域，随着世界能源问题的日益紧迫，人们生活水平不断提高，以及科学技术的加速发展，特别是计算机的广泛应用，建筑节能技术也已经上升到了一个崭新的阶段，已经成为建筑、热工、机电、卫生、经济及计算机等学科 的交叉学科。建筑节能这一概念，现在不仅是要消极地在建筑使用过程中减少能量的损耗，而且逐渐被赋予“提高建筑物中能源利用效率”的意义。建筑能耗一般包括采暖、空调、热水供应、炊事、照明、家用电器等耗能（表格 1），它在西方发达国家占社会能源总消耗的 30 50，而在我国建筑能耗也占社会总能耗的比例也已经达到了 30（不包括建材生产能耗） 1，有进一步提升的趋势。所以，建筑节能在整个节能战略中占有重要的地位，是勿庸置疑的。 建筑能耗的构成 采暖空调 热水供应 电气 炊事 各部分所占百分比（） 65 15 14 6 表格 1 1 建筑能耗分布表 从表格 1 1 建筑能耗分布表可以看出，建筑围护结构散失的能量和建筑供热、制冷系统的能耗占了建筑能耗的绝大多数（ 65以上）。而在建筑维护结构中，门窗是建筑保温的薄弱环节：窗户不仅有与其他围护结构所共有的温差传热问题，还有窗户缝隙的空气渗透传热，特别是通过玻璃的太阳辐射传热问题，建筑通过窗传递的热量占建筑总能耗 20以上，以辐射传热散失的热量，占整个窗传热的约 60；在我国，大多数建筑外窗保温隔热性能差，密封不良，阻隔太阳辐射能力薄 弱。虽然窗户面积一般占建筑外围护结构表面积的 1/3 1/5，而因为窗户的传热所损失热量造成建中国科学院广州能源研究所 硕士毕业论文 2 筑的采暖热负荷 /制冷冷负荷增大而产生的能耗，占建筑围护结构能耗的一半以上 2。由此可见，有效的控制窗的传热量，就可以有效的减小由于热量传递损失而造成的采暖系统 /空调系统负荷增大等能耗，从而做到有效的节能。控制窗传热的技术 节能窗技术就是通过对窗体（窗、窗框等）的改性，实现窗采光、通风、观赏、防火防盗、遮阳、屏蔽外界视线、美观等普通窗基本性能外，同时实现窗的保温、气 /水密、隔声、抗风压等性能，以满足生活中的各种需要 ，达到有效节能效果。 能窗技术的研究现状 建筑室内要求保持一定的热环境和光照环境，而建筑窗户在不同地域、气候、时间、服务建筑类型等条件下，窗户外环境是不同的，所以节能窗技术所要满足的要求是多样性的。但节能窗技术，总体上说是围绕在保持一定光照条件下，控制窗户的传热。节能窗最关键的技术就是对窗的设计，实现对热传递的控制，达到节能的效果。根据传热学，对热传递控制的研究，可以从热传递的三种方式入手：传导、对流、辐射（如图 1 1 所示）。三种传热方式具体体现是：由于玻璃两表面温度差而产生的热传导；室内玻璃 表面与室内环境的对流换热、玻璃夹层中间气体的对流换热、窗外表面与室外环境的对流热交换（空气或者雨水）；太阳辐照透过玻璃窗的辐射得热、窗内外物体表面及天空间的长波辐射等。 图 1 1 室内外透过双层玻璃窗的热交换示意图 目前国内外，就是围绕这三个传热方式，研发导热系数低、对流换热系数小、对光谱透过具有一定选择性等特性鲜明的节能窗。下面将具体阐述对三种传热方式进行有效控制的措施，他们之间也不是完全独立的，很多时候各个传热方式之间互相交第一章 绪 论 3 叠。 制窗户热传导及对 流换热 节能窗技术多年来的进步，突出表现在研制生产可以控制窗户的失热，即传热系数低的窗户上。低传热系数窗户可以有效的控制室内外热传导，可以降低采暖系统的热负荷 /制冷系统的冷负荷，窗户内表面温度与室内温度接近，使室内环境感觉舒适，这样采暖季节窗户内表面的结露结霜状况会大为减少。目前国内外主要有一下几种方式： 1. 设置气体夹层和夹层抽真空技术 普通玻璃本身是热的良导体，其导热系数为 m k)，所以单层玻璃的热阻很小，从上世纪 80 年代初，有人就开始使用双层或多层窗，包含空气夹层的方法，来增加热阻，降低玻璃 窗的整体的传热系数。增加空气间层具有明显的降低传热作用，但空气层太薄，即在 5 8下时，间层厚度越小，其传热系数就越大，；但当间层增加到 12上时，由于间层内的对流作用随着间层厚度加大增强，就起不到增大热阻的作用了，所以间层的选择，关键是其厚度要适当，才能够做到增大热阻。 为了减少在空气间层内的传导和对流，可以对夹层进行抽真空，减少对流、传导换热；也可以在间层内注入比一般空气黏滞度较高、热传到性更低的气体，此种气体的化学稳定性良好，无碍人体的健康与安全。常用的气体为氩（m K)）气及氪气（导热系数为 m K)），比空气的传热系数（导热系数为 m K)）都要小很多。这些气体的比重比空气打，在间层内不易流动，能进一步降低中空玻璃的传热系数。其中氩气较易从空气中分离，比较便宜，应用较多；氪气则保温性能更好，但价格较高，一般用于间层较小（越 8下）的中空玻璃。为使气体长期保留在中空玻璃内而不易逸出，中空玻璃的密封质量至关重要。正常生产的中空玻璃内部空气的渗透率，每年不应大于 1。 2. 使用导热性能低的间隔条 在中空玻璃的两层或三层玻璃之间，要用间隔条 分开，还要求彼此粘结牢固、密封严实，且有足够的强度。常规的做法是用铝管或不锈钢管间隔。金属管结构性能良好，但却是热的良导体，金属间隔条又成为中空玻璃保温隔热的薄弱环节。特别是在中国科学院广州能源研究所 硕士毕业论文 4 采用 膜、充填惰性气体的条件下，间隔条的热桥问题就更加突出。 改进的方法是，在间隔条中设置断桥，或间隔条用导热性能低的材料制作。这些间隔条可使玻璃内表面周边温度比常规做法高，并且减少热应力，在冬天还可减少结露的可能性。 3. 降低窗框的传热 窗框可用不同的材料制作，其所占窗洞的面积的比例约为 15 30。由于框材料的不同，窗户性 能特点有相当大的差别。长期以来，世界各国普遍采用木窗。木材强度高，保温隔热性能良好，容易制成复杂断面，但耐燃和耐潮湿能力较差。由于新材料的发展，世界上木窗采用的比例已经大幅度降低。我国则因森林缺乏，为了保护森林，严格限制木材采伐，木窗使用比例很小。当前有些城市高档建筑木窗采用进口木材，只有一些农村和林区就地取材用于当地建筑。 钢窗强度高，防火能力强，抗风压、防盗能力好，但热工性能很差，保温隔热不良，不易形成复杂断面。我国在 20 30 年前推行“以钢代木”阶段，钢窗曾为市场主导产品，但现在的市场占有率很低。七十 年代以后，塑料窗在世界上得到迅速发展。其特点是保温隔热性能突出，节能效果好，容易挤塑形成复杂断面，耐潮湿能力极佳，耐化学腐蚀性能优越，装饰性、气密性都可以做到很好。但强度、刚度、耐冲击力、抗风压能力较差，断面粗大（内腔可用钢衬加强），对光线遮挡较多，不耐燃烧，存在光、热老化问题，要注意防雷击，防火、防盗难以满足高要求。二战后铝窗以气强度 /刚度高、抗风压能力佳、耐久性和装饰性好，色彩丰富，易形成复杂断面、耐燃、耐潮湿性好等特点，得到了发展应用。但其耐化学腐蚀性能不如塑料窗，保温隔热性能差。现在已经开发出多钟热 桥阻断即使，包括用聚酰胺尼龙条穿入后滚压复合，用聚氨酯发泡材料灌注后铣开，以及用聚氨基甲乙酰粘接复合等，其中以穿入尼龙条方法优点居多。断热处理后，塑料窗框保温性能约可提高 30。 此外，还有玻璃钢窗以及一些复合材料窗，如铝塑复合、木塑复合等、不同材料的复合，有助于取长补短，提高窗框的综合性能。 4. 减少通过窗框缝隙的空气渗透 通过窗框与窗扇接缝处的空气渗透，对于传热的影响可能很大。空气渗透量与开第一章 绪 论 5 启方式（即：固定窗或开启窗、开启的形式）、密封条样式、窗框构造。制作和安装质量等因素都有关。窗户的气密性在试验室按标准 方法测定，用一定压差下的空气流量（ m3/h）表示。通常用密封条来减少窗框接缝处的空气渗透，刷子型和压缩型密封条是其中有代表性的做法。 在非检测条件下窗户的实际渗透率取决于建筑物的状况、风速与风向、环境温度、周围遮挡情况、窗户安装效果等。实际使用条件下的渗透率，应以测试条件下的结果按实际条件修正。 制窗户辐射传热 在建筑能耗中，以辐射传热散失的热量，占整个窗传热的约 60，所以节能窗做到对辐射传热的控制至关重要。 阳光辐射可以提供建筑室内照明，强度太大也会增大空调能耗。在太阳光 光谱中， m 的为紫外光，其辐射能约占太阳总辐射能的 13；波长在 辐射能约占太阳辐射能的 43%；波长在 m 的红外光，其辐射能约占太阳辐射能的 41；其余的约占 3，由上述能谱可以知道，太阳辐射能量的 97%集中在波长 图 1 2 太阳能辐射与红外辐射的光谱分布 作为使用最普遍的太阳光透过结构玻璃，是太阳辐照控制材料最重要的载体。普通透明玻璃对太阳辐射透射比和传热系数都很高， 54， 炎热的 夏天一般太阳光辐照强度比较大，如果没有对其进行一定过滤处理，使其大部分或者全部 通过窗玻璃 进入室内或者有特定环境要求的场所，这直接产生的后果是：一定的光污染；产生大量热，使室内温度升高，增加了空调系中国科学院广州能源研究所 硕士毕业论文 6 统冷负荷。而在寒冷的冬天，我们又希望尽量多的阳光热能能够进入室内，而室内的因采暖等获得的热能，尽量少的通过建筑维护结构向外传递。 这样，为了有效控制由于阳光辐照引起的光照强度、能耗增大等问题， 研究可以控制太阳能辐照的功能材料的途径有以下几种：玻 璃本体改性、玻璃表面覆膜及玻璃夹层材料，但鉴于所需材料的性能特点，将玻璃 进行本体改性困难较 大，国内外多采用后两种技术途径制取该类材料 ， 太阳辐照控制材料就应运而生。目前国内外太阳辐照控制材料的研究及开发，主要集中在热反射薄膜材料、低辐射薄膜材料（ 致变色镀膜材料等材料作为玻璃结构的夹层及覆膜。在建筑维护结构中，通过门窗散失的热量占整个建筑采暖及空调能耗的约 50；汽车内部，大部分通过玻璃窗与外部环境进行热交换；这些地方共同点，就是都使用了镀膜玻璃。镀膜玻璃就是在玻璃 表面通过物理或化学沉积等方法镀上一层或多层 太阳辐照控制材料 薄膜 ，它是太阳辐照材料最为普遍 的应用，使用它可以有效地达到节能、装饰等效果。 一、节能玻璃技术 1. 镀覆热反射薄膜材料 热反射薄膜材料顾名思义，就是控制热辐射的材料，镀膜材料一般是多层金属或者金属化合物等具有较低发（辐）射率的材料，该材料镀膜可以有效的控制太阳光的反射、透过及吸收。它广泛应用于热反射镀膜玻璃，热反射镀膜玻璃也叫阳光控制玻璃 ，是在优质浮法玻璃表面用真空磁控溅射的方法镀上热反射薄膜材料而成， 它 允许足够的自然光进入室内用于采光，还能把大部分太阳光辐射热反射掉，减少室内热量的积聚，降低通风及空调的费用，而且可以根据 用 户的需求， 灵活选择透过率、反射率及反射颜色。 所镀的热反射材料薄膜的主要功能是按需要的比例控制太阳直接辐射的反射、透过和吸收，并产生需要的反射颜色。热反射镀膜玻璃因此而具有以下特点： （ 1） 、有效限制太阳直接辐射的入射量，遮阳效果明显。 （ 2） 、丰富多彩的反射色调和极佳的装饰效果。 （ 3） 、对室内物体和建筑构件具有良好视线遮蔽功能。 （ 4） 、较理想的可见光透过比和反射比，减弱紫外光的透过。 （ 5）、可有效控制窗两边热交换，达到节能的效果。 从节能的 角度来看 ， 在无阳光的环境中，如夜晚或阴雨天气，其隔热作用与白玻第一章 绪 论 7 璃无异 ；而 寒冷地区， 热反射镀膜玻璃镀膜的一侧，应该设置在室内一侧（通常是镀膜面朝室外一侧），这样可以有效减小室内采暖向外辐射，但这样也是热反射镀膜玻璃失去了装饰效果。 2镀覆低发射率薄膜（ 膜） 通过典型的双层玻璃窗热传递的大部分，是从一层玻璃向另一层玻璃的红外辐射交换。常温条件下产生的红外热，发射到玻璃上时，长波红外热被玻璃阻挡住。但是普通玻璃的发射率很高，达到 此玻璃吸收了红外辐射，并重新以很高的发射率发射 出去。 膜与 膜相似，都有较低的发射率，其镀膜使得双层玻璃窗间层的有效发射率降低，从而达到了降低窗的传热系数的目的。 应该注意的是，由于结露或其他原因，致使镀层表面存有水分，由于水分具有很高的发射率，会抵消 以 个原子的尺寸，它对短波辐射是透明的，对可见光具有很高的透过率，对长波辐射是不透明的，对常温热能起到阻挡作用。也就是说，冬天可以保持室内热能尽量少通过窗向外散发，减小采暖系统的热负荷；而夏天又可以阻止室 外由于高温而产生的红外辐射及太阳光红外辐射，减小室内空调的冷负荷，达到节能的效果。 会减小一些太阳光中可见光的透过率，但这是可以接受的。此外，薄膜可以减小紫外线的透过，减少室内物品退色的可能性。 3镀覆变色材料薄膜 太阳入射辐射随着时间、气候和季节变化而变化，固定的遮阳或镀覆普通热反射、低辐射薄膜，难以满足要求。从玻璃入手，实现玻璃镀膜的光学选择性随则特定条件变化而变化，是有效的手段。现在已经研制出多种不同类型的可调节玻璃。通过某种物理因素（光、热、电等）激发， 实现对光谱的调节。目前研究较多的有热致变色、电致变色、气致变色以及光致变色等薄膜材料，在下一节中将作详细介绍 2。 4增加其他对光谱具有选择性材料的结构 液态（包括液体溶胶）及气态（包括气体溶胶）等材料，可以通过改变一些条件来实现对阳光的透过率、反射率或者吸收率发生变化，即具有太阳光谱选择性。 等采用一些可以随温度发生光透过率变化的有机凝胶（聚醚 /聚 羟基凝胶 ）填充在玻璃中国科学院广州能源研究所 硕士毕业论文 8 夹层中，制作成可以用温控的节能窗；国内也有上海同济大学王金前等 4用配制有机液体溶胶，该材料可以随温度变化光透过 率（相变温度 24摄氏度左右）。 有一种硅气凝胶(料，在其硅粒子中包含有很多微孔材料，它比可见光的波长小很多，所以可见光很大部分可以透过，由于该溶胶对红外辐射不透明，还可以降低窗的导热系数，所以将该气凝胶在一定的真空度下填充在玻璃夹层中间，它将是一种很好的保温材料。当前气凝胶热辐照控制保温材料的研究，着重于开发透明度高、耐久性好、块体大、造价低的保温产品。 二、增加遮阳设施 窗户上加这样设施，可以做到有效的阻止热量进入建筑物内。窗户的固定遮阳可以采用大屋檐、遮阳板、遮阳格架等多种 方法。固定遮阳不能满足随着天气和气候变化而变化的需要。采用遮阳帘，简单方便。最好还是采用活动是外遮阳，往往使用外置卷帘（铝板、塑料或彩色钢板等制作），用户可以据需要自行调节 2。 米薄膜节玻璃技术 纳米薄膜节能玻璃可以根据人们的需要来调节窗口太阳光的入射状况，以达到特定的目的，特别是以变色薄膜节能玻璃为代表的智能窗，实现了窗对光谱选择的智能化，所以纳米薄膜节能玻璃不仅在装饰、隔热、保温领域，而且在智能化控制、光学特性智能化调节等领域有着广泛的应用前景。特别是在节能方面，由于窗体占建筑围护结构面积 比例比较大，特别是特定的大面积玻璃幕的现代建筑，使用节能窗来调节室内外热辐射交换，可以大大减小空调或者采暖设备的负荷，在能源特别紧张的今天有着重大的意义。 目前国内外对纳米薄膜节能玻璃镀膜的研究，主要集中在变色薄膜（电致变色、热致变色、光致变色和气致变色）、低辐射薄膜、热反射薄膜等领域。 能调控变色节能玻璃 致变色纳米薄膜节能玻璃 电致变色效应最初是指在材料上施加高压使其变色，而现在一般均指的是电化学第一章 绪 论 9 变色，即由于外界电场的作用，而发生电化学反应，导致电致变色材料光学性质发生变 化，产生致变色的效果。具有电致变色效应的材料通常称之为电致变色材料 5，电致变色材料有有机电致变色材料和无机电致变色材料之分，他们应用于节能窗的技术，也是较其他纳米薄膜节能窗技术更为成熟的技术。电致变色智能窗由于具有透光度可在较大范围内任意调节（ 80 10）、多色连续变化、驱动电压底、控制简单、省电、受环境影响小等优点，其节能效果也较光致变色节能窗明显 6，因此受到普遍的关注，所以对其研究起步较早，取得了一些较为成熟的成果，现在已经有商品化产品。 电致变色镀膜玻璃变色的基本原理如下图所示，当两导电层 加正向电压， 中离子被抽出，通过 （离子的导体，电子的绝缘体），进入工作层 起变色；当加上反向电压，工作层的离子又被抽回到贮存层，颜色又恢复，其关键是变价离子的存在。例如典型的电致变色介质 变色层的电化学反应方程式为： 色） 色） （其中 A+为 H+者 3 of 图 1 3 电致变色工作膜层示意图， 明导电层， 电变色涂层， 离子层， 子贮存层 无机和有机材料的差别在于：无机材料是利用材料中的缺陷作为通道传输离子；有机材料能溶解支持电解质，发生离子迁移。 80年代以来，人们对电致变色玻璃的材料 (包括电致变色材料、透明导电材料、对电极材料，离子导电材料 )和器件的结构，制造工艺及 性能进行了大量的研究工作。其中研究得最多 的是作为电致变色智能玻璃关键材料的电致变 色膜。电致变色薄膜的制备涉及薄膜制备的各个技术如物理气相沉积、化学气相沉积、电化学 沉积及溶胶 凝胶等。研究表明，制膜方法和工艺条件的控制对薄膜的电致变色 特性起着关键 作用。在众多被研究的电致变色膜如无机阴极 着色材料 、 机阳极着色材中国科学院广州能源研究所 硕士毕业论文 10 料 聚苯胺 (聚环氧乙烷 (中， 逆性好、响 应时间短、寿命长、成本低等优点，因而被认为 是最有发展前途的电致变色材料。研究对金属氧化物的掺杂等，取得了很好的效果。 实际在电致变色薄膜中离子的输运变色机理相当复杂，至今没有完全弄明白，例如虽然对单组成氧化物（例如 ）的电化学反应形成较统一的看法 ，但对其变色的微观过程说法各异（提出了多种模型）；而电致变色薄膜结构相对复杂，致使其材料制备工艺复杂；由于薄层间的扩散等作用，使得薄膜性能的稳定性和持久性控制难度很大，这些方面的研究有待深入。 今后电致变色薄膜智能窗的研究方向是：基础研究方面是进一步研究变色机理；抗衰老研究；新材料与新变色系统构造的研究等。 致变色纳米薄膜节能玻璃 光致变色材料是指在可见光范围内，因光照而产生可逆光谱着色的材料。无机光致变色薄膜变色的基本原理是材料化学中的色心原理，即在有无光照的条件下，电子在两种色心缺陷之 间跃迁 7，典型离子如 。而有机光致变色薄膜的基本原理一般是在光照条件下的有机物的开闭环可逆反应。由其原理决定的，光致变色薄膜智能窗具有制备简单、制备成本相对其他智能窗底（但离商品化还有很大距离）、运行成本低等优点；但它的缺点也很明显：采光透过率可调范围小（最大幅度50）、变色反应迟钝、薄膜性能随温度升高变色效率下降、变色的可控性差（不能随季节变化）等。当前光致变色薄膜窗的研究方向就是针对其缺点实现突破，探索新材料等。 致变色纳米薄膜节能玻璃 材料，在其 温度变化过程中，在某一小的温度变化范围内，其光学、电学、磁学性质发生可逆性突变，具有这种特性的材料称为热致变色材料 8，热致变色材料根据其变色原理可以分为由于变色材料变色反应为可逆反应移动、结构可逆变化、成分可逆分解三类，热致变色薄膜节能窗一般是利用前两类特别是第一类材料作薄膜材料的。 以 代表的金属氧化物的多晶，具有良好的可逆热致变色性能，人们展开了广泛的研究。 金属态到半导体态的相变温度在六十多度 9，而通常其他热致变第一章 绪 论 11 色材料的相变温度也不在节能窗表面温度变化范围之内，所以二氧化钒等薄膜热 致变色材料如果要在节能窗技术方面有广泛应用 ,相变温度必须降低到 30左右 ,而且相变前后在太阳能红外区透过率有较大的变化 ,这样才能保证环境温度低于室温时让更多的光能进入室内 ,当环境温度高于室温时让较少的光能进入室内。在降低相变温度方面已经取得了巨大的进展，实验证实相变温度随薄膜的制取方法和工艺而变化，还可以通过掺杂的方法来改变。通常在掺杂 用的掺杂元素有铌、钼、钨等，实验证实每百分之一的掺杂原子降低温度量为 11、 11和 28 10，而掺杂三价金属离子 ，一般可以升高热致 变色材料的相变温度 12,13,但是纯掺杂实验都显示掺杂会扩大热滞回线宽度而且使相变前后物理量的改变量减小。不过 氧离子辅助蒸发沉积的方法选择特定的成膜基体温度，制得相变温度为 38的 膜中掺杂了 ,而且热滞回线宽度没有明显改变而且物理量的前后变化仍较大 11。改进 膜的透过率可以用电子辐照、镀制小膜厚薄膜等工艺方法实现。所以在改变相变温度而同时又能尽量满足光学要求对纳米薄膜热致变色材料改性方面，将新工艺、新方法与掺杂结合起来是很有必要的。 热致变色薄膜节能窗具 有制膜工艺相对简单等优点，但其变色性能不能实现任意控制，受外界温度影响较大等缺点。今后的研究方向是，进一步降低变色温度、提高透过率、研发新材料等。