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    智能玻璃在建筑門(mén)窗幕墻中的應用研究及發(fā)展概述

    文字:[大][中][小] 手機頁(yè)面二維碼 2019/11/7     瀏覽次數:    

    1。概述

    近年來(lái),既美觀(guān)新穎,又能透光、擋風(fēng)和阻擋灰塵的玻璃幕墻、玻璃屋頂、玻璃結構已成為現代主義高層建筑時(shí)代的顯著(zhù)特征。但普通建筑玻璃不能自動(dòng)調整自身性能以適應風(fēng)、雨、光等環(huán)境變化,給我們帶來(lái)了諸多不便。當今世界能源危機、環(huán)境污染、全球變暖等問(wèn)題日益嚴峻,人們在選擇建筑玻璃時(shí),除了考慮其美學(xué)特性和外觀(guān)特征外,更注重其熱量控制、制冷成本和內部陽(yáng)光投射的舒適平衡等問(wèn)題。在新型建筑朝著(zhù)智能化方向發(fā)展的趨勢下,能動(dòng)態(tài)調節光照強度和室內溫度的“智能玻璃“智能窗”迅速成為各國研究的熱點(diǎn)。


    2。智能玻璃的定義及分類(lèi)

    智能玻璃是由玻璃材料或透明塑料等基材和感應材料所組成的、能感知外部環(huán)境變化并能實(shí)時(shí)地改變自身性能的玻璃器件。在一定物理條件下,這種器件可以根據人們的意愿,穩定、可逆地改變自身的光學(xué)屬性(顏色、反射率、透過(guò)率、吸收率等),從而具有光吸收透過(guò)的可調節性,可選擇性地吸收或反射外界的熱輻射和內部的熱擴散。

    到目前為止,智能玻璃的制備方法可大致分為兩種:一是將感應材料制成膜狀復合到無(wú)機玻璃表面或是夾雜在兩層普通玻璃中間;二是利用感應材料對玻璃本體進(jìn)行改性。相對而言,玻璃本體改性獲得的智能玻璃工藝復雜、成本高,文獻報道較少,公開(kāi)報道的制備方法以第一種居多。智能玻璃的技術(shù)核心是感應材料的制備與選擇,現在研究較多的感應材料主要分為三大類(lèi):光致變色型、電致變色型和熱致調光型。

    一般而言,光致變色材料按材料類(lèi)型可以分為有機(主要包括二芳基乙烯、偶氮類(lèi)以及相關(guān)的雜環(huán)化合物)和無(wú)機(主要為鹵化銀體系)兩大類(lèi)。雖然人類(lèi)發(fā)現光致變色現象己有一百多年的歷史,但由于無(wú)機光致變色玻璃成本較高、加工技術(shù)復雜,有機光致變色玻璃不耐高溫、容易疲勞、戶(hù)外耐候性差,而且這兩大類(lèi)材料大多數對環(huán)境不友好,限制了其在建筑領(lǐng)域的商業(yè)應用。

    電致變色材料也可分為無(wú)機材料和有機材料兩大類(lèi)。無(wú)機電致變色材料主要為過(guò)渡金屬氧化物,如W03, Nb205, Ta2O5及V205等;有機電致變色材料主要包括有機雜環(huán)化合物、導電聚合物類(lèi)、金屬有機聚合物類(lèi)和金屬酞花蓄類(lèi),如紫羅精、毗哇琳及聚苯胺等。

    這兩大類(lèi)材料各有優(yōu)缺點(diǎn),很多文章都進(jìn)行了介紹,此處不再贅述。隨著(zhù)納米技術(shù)的發(fā)展,具有獨特分子結構和表觀(guān)協(xié)同效應的聚合物/過(guò)渡金屬氧化物等納米復合材料也開(kāi)始成為電致變色材料領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。熱致調光材料按材料的性質(zhì)也可分為無(wú)機類(lèi)(如釩的氧化物)和有機類(lèi)(如水凝膠、液晶材料、聚合物共混物、高分子想變材料等),根據其光學(xué)性能隨溫度的變化又可分為熱致散射、熱致色變以及雙功能三種類(lèi)型。不過(guò),要使其在建筑節能中獲得大范圍應用,熱致變色玻璃材料的相變溫度要在室溫附近(30℃左右),而且在相變過(guò)程中無(wú)體積改變,因而可供選擇的材料并不多,目前研究的熱點(diǎn)主要集中在相分離型熱致散射聚合物和摻雜態(tài)V02薄膜。


    3。智能玻璃應用研究新進(jìn)展

    智能玻璃應用于建筑領(lǐng)域,可最大限度地利用自然資源實(shí)現建筑節能,降低運營(yíng)成本,同時(shí)也起到改善辦公環(huán)境、防窺的目的。

    電致變色智能玻璃實(shí)際_相當于帶有可調節窗簾的玻璃,可用于需要保密或隱私防護的建筑場(chǎng)所。愛(ài)莎尼亞塔爾圖大學(xué)的科研人員將納米凝膠涂層噴射到通透明玻璃上形成一個(gè)5~ 10um厚的涂層,在電場(chǎng)的作用下,涂層的光學(xué)屬性會(huì )發(fā)生變化,這種智能玻璃經(jīng)電源開(kāi)關(guān)控制就可以在“瞬間”完成“透明玻璃”與“毛玻璃”的變換,由其制成的智能窗相當于有電控裝置的窗簾一樣方便自如。

    目前,世界各國都十分重視建筑節能,根據環(huán)境變化自動(dòng)對室內溫度進(jìn)行智能化調節的熱致調光薄膜已成為材料科學(xué)中活躍的研究領(lǐng)域之一,受到研究者的高度重視。

    太陽(yáng)輻射能量的大多數都集中在紅外波段,而VO2在68℃附近發(fā)生低溫態(tài)半導體單斜晶相與高溫態(tài)金屬四方晶相轉變時(shí)正好對紅外波段的光透過(guò)率和反射率存在突變,而且變化可逆。近些年來(lái),英國IvanP。Parkin教授等人在V02薄膜中摻雜少量的鎢元素使其發(fā)生相變的臨界溫度降低到室溫附近,將這種自適應溫控智能材料涂覆于門(mén)窗幕墻玻璃表面,形成可以自動(dòng)調節溫度的智能玻璃,具有良好的節能效果。

    德國科研人員通過(guò)在兩層普通玻璃中夾雜一層具有結構相變特征的聚合物微膠囊樹(shù)脂膜,進(jìn)而研制出了具有自我調控能力的智能防曬玻璃。當溫度達到一定值時(shí),這種三明治結構的玻璃即從透明變?yōu)槟:?,將30一50%的太陽(yáng)熱量隔離在外,而且射入的散射狀光線(xiàn)仍足夠使房間保持明亮;當溫度下降后,熱值層便恢復至原狀,窗戶(hù)玻璃又變得清撤透明。

    隨著(zhù)科技的發(fā)展,巧妙結合光伏太陽(yáng)能技術(shù)和電致變色技術(shù)或熱致調光技術(shù)優(yōu)點(diǎn)的自供能變色智能窗、智能發(fā)電窗也開(kāi)始被研究開(kāi)發(fā)。徐春葉課題組利用染料敏化太陽(yáng)能電池和電致變色窗技術(shù)有機結合開(kāi)發(fā)了一種新的自供能變色玻璃,這種玻璃可以吸收照射到其他表面的太陽(yáng)光并轉化成電能,在利用這部分電能是其自己變色,從而達到調節光線(xiàn)強弱以及美化環(huán)境的目的。高彥峰等人通過(guò)對V02材料進(jìn)行改性制備出了臨界相變溫度處于低溫區的大尺寸V02薄膜,并在此基礎上設計了能根據環(huán)境溫度不同而自行調節熱傳遞的透明智能窗戶(hù),再通過(guò)在其上安裝太陽(yáng)能電池升級為智能發(fā)電窗,這種智能發(fā)電窗相變特性穩定性良好,將有助建筑物降低采暖、照明和降溫等所需的能源成本。

    與此同時(shí),兼有空調和窗簾雙重作用的新型玻璃也開(kāi)始被開(kāi)發(fā)應用。美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室Anna等人利用氧化錮錮錫納米晶體和嵌入在玻璃基質(zhì)中的氧化妮制得了一種易對可見(jiàn)光和產(chǎn)生熱量的近紅外光進(jìn)行獨立控制的新型“智能窗”,通過(guò)調控電壓改變納米品體的結構來(lái)阻擋特定的波長(cháng),這種智能玻璃的光學(xué)屬性可在3種狀態(tài)間進(jìn)行切換:完全透明模式、有選擇性的封鎖近紅外光(熱)模式和同時(shí)阻止可見(jiàn)光和熱進(jìn)入建筑物的黑暗模式,通過(guò)動(dòng)態(tài)控制通過(guò)玻璃窗戶(hù)的可見(jiàn)光和熱量,做到明暗可控、冷熱可調,即可提升建筑的居住舒適度,也可節約對能源的消耗。市面上現有的智能窗戶(hù)產(chǎn)品往往價(jià)格昂貴、響應時(shí)間較慢、制備工藝復雜而且質(zhì)量較差,需要研究新型智能窗戶(hù)系統來(lái)克服這些問(wèn)題。最近,韓國研究人員發(fā)現聚合物、離子膜以及甲醇溶劑結合起來(lái)可以生產(chǎn)出便宜、穩定且功能強大的智能玻璃。當光照強烈、天氣炎熱時(shí),玻璃會(huì )自動(dòng)變暗,完全不透明;而當陽(yáng)光不足、天氣較冷時(shí),玻璃又可以在幾秒內切換到完全透光的狀態(tài),從而使更多的陽(yáng)光照射到屋內,利用太陽(yáng)能給房屋供暖。通過(guò)管理照射到房屋內部陽(yáng)光的多少,這種新型的光控制系統提供了一個(gè)節省取暖、制冷和照明費用的新選擇。


    4。產(chǎn)業(yè)發(fā)展現狀及趨勢

    為適應日益發(fā)展的建筑節能的需求,近年來(lái)美國、日本、歐洲等發(fā)達國家投入大量人力和財力,積極開(kāi)發(fā)智能玻璃技術(shù),在許多領(lǐng)域陸續有產(chǎn)品實(shí)現了商品化,在全固態(tài)大面積電致變色玻璃領(lǐng)域更是己基本實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化。我國在智能玻璃方面的研究則相對薄弱,近年來(lái)雖然一些大學(xué)和研究所在智能玻璃材料及器件制作方面做了很多研究工作,但鮮有產(chǎn)業(yè)化的報道,還須踏踏實(shí)實(shí)做好穩定性研究、商品化課題、新體系新品種的變色材料的深入開(kāi)發(fā)等方面的工作。

    由于智能玻璃的研制涉及物理、材料、化學(xué)、薄膜科學(xué)等多科學(xué)知識,理論研究和實(shí)踐尚不是很成熟,其推廣應用還需要進(jìn)一步的理論和實(shí)驗研究。

    目前,智能玻璃的發(fā)展趨勢沿著(zhù)全固態(tài)、大面積、智能化、多功能、低成本、節能環(huán)保幾個(gè)方向進(jìn)行。

    1)現在所用的薄膜材料多為重金屬或有毒有機物,種類(lèi)偏少,不僅昂貴而且環(huán)境危害很大,隨著(zhù)世界各國對環(huán)境保護的重視以及人們環(huán)保意識的增強,發(fā)展長(cháng)壽命、低成本、良好的環(huán)境親和性的新型高性能智能材料己是大勢所趨。

    2)通過(guò)摻雜法、插層復合法、溶膠一凝膠法和LB膜法等各種方法制備性能優(yōu)異色彩多樣的新型智能玻璃,充分發(fā)揮有機高分子聚合物和金屬氧化物的不同優(yōu)勢。

    3)將太陽(yáng)能電池技術(shù)與智能玻璃技術(shù)相結合,開(kāi)發(fā)具有采光、調光、光催化、聚光、蓄光、光電轉換、熱電轉換等各種功能特性的新型智能窗,提高其控溫過(guò)程的智能化水平,在調節光線(xiàn)的同時(shí)也在調節著(zhù)室內溫度,節約電能并減少設備使用。

    4)采用先進(jìn)的生產(chǎn)組裝工藝,以適應大面積、低成本工業(yè)生產(chǎn)的需要。

    可以預見(jiàn),隨著(zhù)人們對戶(hù)外建筑的實(shí)用性和觀(guān)賞可以預見(jiàn),隨著(zhù)人們對戶(hù)外建筑的實(shí)用性和觀(guān)賞性的要求越來(lái)越高,智能玻璃所具有的諸多功能特性將使其在太陽(yáng)能的有效利用、減少溫室效應,節約能源、改善人居環(huán)境等方面起到舉足輕重的作用,在建筑門(mén)窗幕墻應用方面前景廣闊。


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