灵巧窗[谷风技术]

1、灵巧窗 电致变色灵巧窗（smart window）是在1990年美国科学家C.M.Lampert和瑞典科学家C.G.Granqvist等提出来的。灵巧二字的含义是窗户的性能能随着环境的变化作出变化。致色性灵巧窗能够动态、可逆、任意地对通过窗户的阳光进行智能化控制，可广泛应用于建筑、汽车宇宙飞船等作为高能效阳光控制节能窗户。在国外有许多实验室对其进行了研究，并有商业化的产品。1、灵巧窗的分类通常，致色性灵巧窗分为热致变色、光致变色、电致变色和气致变色等几种。从作用方式上讲，光致变色和热致变色是一种被动式致色材料，只有在外界条件如光强、温度发生变化时才会发生致色现象，人们无法灵活调控。而电致变色材

2、料和气致变色材料则是主动式功能材料，其光学特性（如透射率、颜色）可通过周围环境的变化，通过调控，使材料的光学特性发生连续、可逆地变化，从而实现光密度连续可调。1.1热致变色 热致变色灵巧窗，顾名思义，是由于热导致窗户改变它们的性质。市场上有产品“云凝胶（cloud gel）”，随着温度的变化，其能够变得清晰透明，或者变模糊。还有一些使用热致变色材料做的杯具，可以智能的显示饮用水的温度并且十分美观。 热致变色可以是可逆的也可以是不可逆的。事实上，日常生活中我们见过不可逆的热致变色，如煮熟的大闸蟹变成红色的了。1.2光致变色光致变色灵巧窗是根据光线强度的不同而变色。但是这有点不实用。如在夏天，阳光

3、较为强烈，窗户能透过较多的光线，而在更需要阳光的冬天，能透过的光线反而较少。不过光致变色还有应用于光存储的前景。1.3电致变色电致变色（Eletrochromism）是指材料在交替的高低或正负外电场的作用下，通过注入或抽取电荷（离子或电子），从而在低透射率的着色状态和高透射率的消色状态之间产生可逆变化的特殊现象，在外观性能上则表现为颜色及透明度的可逆变化。电致变色器件(Electrochromic device , ECD)是将电致变色材料和离子电解质应用在导电透明电极上，形成一种典型的光学薄膜和电子学薄膜相结合的光电子器件，通过外界较低的驱动电压来实现可逆的颜色变化。作为电致变色材料实现其功

4、能的载体，电致变色器件的性能最终决定了变色材料在人们生活实践中的应用价值。2、电致变色基于电致变色的主动可控性，本文主要讲电致变色。2.1电致变色的发展史早在20世纪30年代就有关于电致变色的初步报道。20世纪60年代，Plant在研究有机染料时发现有电致变色的现象，并进行了研究。1969年，S.K.Deb首次使用无定形WO3薄膜制备了电致变色器件，并提出了“氧空位色心”机理。20世纪70年代，出现了大量有关电致变色机理和无机电致变色材料的报道。80年代末以来，新型有机电致变色材料合成和电致变色器件的制备成为一个日益活跃的研究领域。这期间，美国科学家C.M.Lampert和瑞典科学家C.G.G

5、ranqvist等人提出了以电致变色膜为基础的一种新型节能窗，即灵巧节能调光窗（Smart window），成为电致变色研究的另一个里程碑。1999年，Stadt Sparkasse 储蓄银行为德国德累斯顿的一座新建筑物。这座大楼拥有欧洲第一面用电致变色玻璃制成的可控制外墙。2004年1月，英国伦敦的瑞士再保险大厦玻璃幕墙使用电致变色技术。2005年1月，法拉利Superamerica敞篷跑车的挡风玻璃和顶棚玻璃采用了电致变色技术。2008年7月，波音787客机客舱窗玻璃淘汰了机械式舷窗遮阳板，采用了电致变色技术。2009年8月，欧洲最大的玻璃制造商法国圣戈班集团宣布进军“智能窗”市场。200

6、9年10月，国内首个关于电致变色的综合性网站电致变色网成立。2009年12月15日，波音787梦幻客机试飞成功。2.2电致变色其实际应用应该满足以下技术要求良好的电化学氧化还原可逆性；颜色变化响应时间短；颜色变化灵敏度高；较长的循环寿命；开路记忆时间长；化学稳定性好。2.3电致变色器件结构电致变色器件可视为电化学电池，结构上是一种三明治式的多层电化学装置，其中各层均以薄膜形式出现。电致变色器件的结构发展到今天，被各国学者普遍接受的最典型的为层结构，如图所示。从下至上依次为透明导电层、电致变色层、电解质层、离子储存层、透明导电层。电致变色是在电场作用下变色层的材料发生颜色及光透射性能的改变。2.

7、4电致变色器件的应用领域由于电致变色器件具有光学性能连续可调、低工作电压、低功耗、无辐射、宽视角、开路记忆等特点，近年来许多国家都在研制基于电致变色现象的器件，主要有电致变色窗、电致变色储存器、电致变色显示器、智能调光汽车后视镜、电子束印刷技术及传感器、军事伪装服等。2.4.电致变色智能窗 电致变色智能窗可以自动调控颜色、调光和调温，具有高效、低能耗、绿色环保、智能化的特点，大大减少了建筑物的能量负荷，符合当前节能减排、低碳经济的发展要求。目前，美国等已经对电致变色器件的节能效果展开评价，结果显示利用这种装置可以节约能源。随着人民生活水平的不断提高，人们对办公环境和其他公共环境的要求也越来越高

8、，建筑物的窗户一般都配上各种各样的窗帘。而电致变色玻璃实际上相当于带有可调窗帘的玻璃，由于具有可调性，电致变色玻璃还用于需要保密或隐私防护的建筑场所，由其制成的窗玻璃相当于有电控装置的窗帘一样方便自如。当外界太阳光较强烈、辐射较大时，则让窗户处于着色状态，而当外界太阳光比较弱或是阴天时，则让窗户处于褪色状态，从而减少室内温控系统所消耗的能量，可以说智能窗是一个无源的超级太阳能空调。 2.4.2全自动防眩目汽车后视镜 经常驾车的人都知道，在夜间尾随汽车的强光照射会使后视镜产生令人炫目的反光，影响驾驶人员的观察力，从而造成严重的交通事故。为了解决这个问题，1987年，美国镜泰公司推出了第一款电致变

9、色的自动防眩目内后视镜，也就是现在经常能看见的自动防眩目后视镜的开山鼻祖。自动防眩目后视镜的镜体上有一个光线感应器，通过其采集的信号在内置电脑板上进行运算，得出通电的大小，从而控制电致变色材料进行调光。2.4.3电致变色显示器 电致变色显示器属于非发射显示，在强光照射下也容易。辨别，并且长时间观看也不会引起人眼疲劳。它另一个优势就是无视盲角，现在流行的液晶显示器必须在一个视角范围内（一般为45。90。）才能看到清晰的画面，而电致变色显示则完全没有这个缺陷。除此之外，它的工作电压低（一般都在2V以内）、能耗低，安全性也更好。但目前限于变色材料种类较少，且响应时间过长、使用寿命低等问题，还没得到更

10、好的应用。2.4.4电致变色存储器电子纸 由于电致变色材料的变色过程往往需要离子的掺杂与脱掺杂，当通过外界电压使离子进入变色材料之后，去除电压后离子不会马上脱出，这种现象被称为电致变色器件的开路记忆特性，利用这一特性功能制作成电致变色存储器，可以用来存储和读取信息，而且可以循环擦除和改写。这种电子纸最大的优点在于断电后依然可显示图案，比现有的电子读书器更节能、更环保。2.4.5军事伪装设备 电致变色材料由于对中红外和远红外具有固有的红外发射特性，可制备成新型红外发射器件，作为微型航天飞行器上的热敏红外传导功能材料使用，也可用作战场上红外伪装材料以对抗夜间可视武器装备，近年来受到美、英、法等军事

11、工业强国的高度重视并大力开发与研究。根据舰船、坦克、车辆在不同环境下的伪装要求而采用电致变色材料，使武器装备表面涂层既呈现不同的可见光迷彩伪装颜色，同时也可利用红外发射率不同而达到夜间和白天红外伪装的目的。 除了运用在武器、设备上，人们还希望通过研制智能电致变色服装，也就是所谓的变色龙服饰来提供战士的伪装。随着功能高分子材料、纺织科技和计算机与信息技术的发展，使得智能电致变色服装的出现不只是停留在构思上，在不久将会步入实用化阶段。智能电致变色服装通过控制电场或电流来使衣服的颜色可以随心所欲地改变。智能电致变色服装目前在国际上尚处于初始研究阶段，其在军事伪装上有重要应用价值。人们设想通过随身的按钮，可以控制的军装局部或者整体的颜色，使其呈现出种不同颜色的组合，让士兵在不同环境中都能随时保护和伪装自己。美国空军已经将电致变色材料作为热敏红外控制器件应用在微型间谍通讯卫星上。美国陆军也已开始研制PE-DOT/PSS“变色龙”士兵服装，并声称将这种服装装备于部队。2011年1月，美国大众科学杂志曾报道，英国航空航天公司（BAE）正在开发电子伪装技术，用一种“电子墨水”来让坦克“隐身”。坦克车体上安装高度复杂的电子传感器，将会把周围环境的影像反向投影到车体外部，使其融入到周围的景色中，以躲避攻击。B