CN104724951A

CN104724951A - 调光玻璃用薄膜材料及其制备方法

Info

Publication number: CN104724951A
Application number: CN201310713798.XA
Authority: CN
Inventors: 包山虎; 郭雨; 金平实; 郑建云; 曹逊
Original assignee: Shanghai Institute of Ceramics of CAS
Current assignee: Jiangsu Institute of advanced inorganic materials
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: CN104724951B

Abstract

本发明公开了一种调光玻璃用薄膜材料及其制备方法，该薄膜材料包括一镁合金层、一沉积于镁合金层上的催化层及一形成在催化层上的保护层。本发明的薄膜材料可以镀在玻璃表面，在有氢气存在时会从镜子态转变成透明态，在氧气或者空气中又会变回镜子态，伴随着这种转变，薄膜材料的透光率也会相应发生变化，从而实现智能调光性能。该调光玻璃用薄膜材料的制备和使用均是在室温下进行，故而具有能耗低、价格低廉的优点，且其是一种反射型调光玻璃，不会向使用环境中二次放热。

Description

调光玻璃用薄膜材料及其制备方法

技术领域

本发明属于玻璃调光技术领域，尤其涉及一种调光玻璃用薄膜材料及其制备方法。

背景技术

我国是世界能源消耗大国，其中建筑行业能源消耗占很大比重。统计资料表明，玻璃窗是建筑物与外界进行光热交换而产生能耗的主要通道。因此，开发智能窗节能材料成为实现建筑节能及减少建筑温室气体排放的关键。传统的节能调光玻璃一旦设计组装完成后不能动态调节其光学特性，这对于单纯性的寒冷或者炎热地区具有有益的节能与舒适效果。但对于日照强烈、四季分明的中国、印度、巴西等发展中国家，如果设计出一种能自动调节光或热进出量的智能调光玻璃窗，不仅能帮助其国家节能技术产业的发展，而且也能为节能减排做出很大贡献。

目前已经产业化的节能玻璃如Low-E玻璃是针对夏天或者冬天其中一种季节来设计光学特性的。Low-E玻璃根据应用环境特点可分为低辐射型和阳光控制型，二者对常温热辐射波段有较低的发射率。低辐射型对可见光和近红外波段有高的透过率，阳光控制型只对可见光波段有高的透过率，而对红外波段保持高的反射型。可以看出，对于单纯性寒冷或者炎热地区，Low-E玻璃具有非常有益的效果。但它无法根据环境变化进行智能调节，只适应单一性的季节。即一旦设计组装完成后不能动态调节其光学特性。且Low-E玻璃是一种吸收型调光玻璃，其吸收红外线的同时会向使用环境释放大量热量，不适宜夏季使用。

发明内容

本发明针对现有技术中调光玻璃只适用于单一季节，不能动态调节光学特性及吸收型调光玻璃存在放热现象的技术问题，目的在于提供一种调光玻璃用薄膜材料，且该调光玻璃为一种反射型调光玻璃。

本发明的调光玻璃用薄膜材料包括一镁合金层、一沉积于镁合金层上的催化层及一形成在催化层上的保护层。

该薄膜材料是一种反射型薄膜材料，在室温（20℃左右）下能够吸氢具有气致及电致变色功能，而变成无色透明的薄膜材料，而在室温（20℃左右）的空气或氧气气氛中脱氢而变成金属态的反射型薄膜材料，因而具有气致变色功能，对可见光区及红外光区光谱具有均匀可逆的智能调控特性。本发明的薄膜材料可以镀在玻璃表面，用作调光玻璃。该玻璃可以为普通建筑玻璃，玻璃表面镀上此薄膜材料后，在有氢气存在时会从镜子态转变成透明态，在氧气或者空气中又会变回镜子态，伴随着这种转变，薄膜材料的透光率也会相应发生变化，从而实现智能调光性能。该调光玻璃用薄膜材料的制备和使用均是在室温下进行，故而具有能耗低、价格低廉的优点，且是反射型调光玻璃，不会向使用环境中二次放热。

该镁合金层为MgxM，其中M为Ni时，x=2.81；M为Y时，x=46.45；M为Nb时，x=13.24；M为Ti时，x=46.09。Mg-Ti，Mg-Nb，Mg-Y合金薄膜材料在透明时几乎为无色，Mg-Ni合金薄膜材料略带茶色。

该镁合金层的厚度为40nm；所述催化层为Pd，厚度为5nm，其作为氢的催化剂，促进氢化过程的进行，且对内部镁合金层具有保护作用，可阻止其被腐蚀；所述保护层的厚度为500nm。

所述保护层为对氢气具有扩散特性而对水具有非扩散特性的高分子材料，其可以提高薄膜材料的循环寿命。所述高分子材料例如可以为聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯或醋酸纤维素。

本发明的另一目的在于提供一种制备本发明的调光玻璃用薄膜材料的方法，该方法依次包括如下步骤：

首先，采用磁控溅射法将Mg和M共溅射沉积至基片上形成镁合金层，其中，M为Ni、Y、Nb或Ti；

紧接着，继续采用磁控溅射法将Pd溅射至镁合金层上形成催化层；

最后，采用旋涂法将高分子材料涂至催化层上形成保护层，最终形成调光玻璃用薄膜材料。

在本发明的方法形成的调光玻璃用薄膜材料中，所述镁合金层为Mg_xM，厚度为40nm，其中，M为Ni时，x=2.81；M为Y时，x=46.45；M为Nb时，x=13.24；M为Ti时，x=46.09；所述催化层的厚度为5nm；所述保护层的厚度为500nm。所述高分子材料为聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯或醋酸纤维素。所述的基片可为玻璃基片或者硅片。

本发明相对于现有技术具有以下优点：本发明的调光玻璃用薄膜材料常温下即可使用，响应速度快、可反复使用；具有气致变色功能，对可见及红外光区光谱具有智能调控性。其可以在室温下制备，制膜时间5分钟内可完成，所以能耗低、成本低，实用范围广，且是一种反射型调光玻璃，不会向使用环境中二次放热。

附图说明

图1为Mg-Ni合金的薄膜材料的X射线光电子能谱图；

图2为Mg-Y合金的薄膜材料的X射线光电子能谱图；

图3为Mg-Nb合金的薄膜材料的X射线光电子能谱图；

图4为Mg-Ti合金的薄膜材料的X射线光电子能谱图；

图5为通H₂前后Mg-Ni合金的薄膜材料的250～2600nm透射率图谱；

图6为通H₂前后Mg-Ni合金的薄膜材料的250～2600nm反射率图谱；

图7为Mg-Ni合金的薄膜材料的调光速度图；

图8为通H₂前后Mg-Y合金的薄膜材料的250～2600nm透射率图谱；

图9为通H₂前后Mg-Y合金的薄膜材料的250～2600nm反射率图谱；

图10为Mg-Y合金的薄膜材料的调光速度图；

图11为通H₂前后Mg-Nb合金的薄膜材料的250～2600nm透射率图谱；

图12为通H₂前后Mg-Nb合金的薄膜材料的250～2600nm反射率图谱；

图13为Mg-Nb合金的薄膜材料的调光速度图；

图14为通H₂前后Mg-Ti合金的薄膜材料的250～2600nm透射率图谱；

图15为通H₂前后Mg-Ti合金的薄膜材料的250～2600nm反射率图谱；

图16为Mg-Ti合金的薄膜材料的调光速度图；

图17为调光玻璃用薄膜材料的结构示意图；

图18为本发明的薄膜材料进行性能测试的自组装装置示意图。

具体实施方式

实施例1

1）基片的清洗

将玻璃基片放在烧杯内，分别在0.5mol/L NaOH溶液、去离子水、丙酮、去离子水中各超声处理10min，之后用pH试纸确定最后的洗涤液呈中性。

硅片放入烧杯内，加入适量乙醇，超声处理10min。

2）镁合金层和催化层的制备

磁控溅射系统采用直流磁控溅射仪，真空系统由分子泵和机械泵二级组成，真空室本底真空度达10^-5数量级。靶材组分分别为2英寸纯Mg金属、2英寸纯Ni金属和2英寸纯Pd金属。待本底真空度达到要求后，向真空室内充入高纯Ar气体，流量为40sccm，基片转速15r/min。待沉积压力（0.5Pa）稳定后，开始溅射。Mg和Ni采用共溅射法，Pd催化层待Mg-Ni合金层沉积完成后随即继续沉积。溅射参数分别为：W(Mg)=112W，W(Ni)=30W，W(Pd)=30W，t(Mg-Ni)=90s，t(Pd)=60s。沉积时记录各层厚度，其中镁合金层约40nm，催化层约5nm。

3）保护层的制备

将0.4g聚氯乙烯溶解在30mL四氢呋喃中。滴入10滴聚氯乙烯的四氢呋喃溶液至镀有镁合金层和催化层的玻璃基片表面上。将玻璃基片放在旋涂仪上，调节转速至2000r/min旋涂30s。经测量，保护层的厚度为500nm。

将所得的调光玻璃用薄膜材料进行X射线光电子衍射，测试其组分的深度分布，结果如图1所示。

实施例2

1）基片的清洗

硅片放入烧杯内，加入适量乙醇，超声处理10min。

2）镁合金层和催化层的制备

磁控溅射系统采用直流磁控溅射仪，真空系统由分子泵和机械泵二级组成，真空室本底真空度达10^-5数量级。靶材组分分别为2英寸纯Mg金属、2英寸纯Nb金属和2英寸纯Pd金属。待本底真空度达到要求后，向真空室内充入高纯Ar气体，流量为40sccm，基片转速15r/min。待沉积压力（0.5Pa）稳定后，开始溅射。Mg和Y采用共溅射法，Pd催化层待Mg-Y合金层沉积完成后随即继续沉积。溅射参数分别为：W(Mg)=15W，W(Y)=80W，W(Pd)=20W，t(Mg-Y)=300s，t(Pd)=45s。沉积时记录各层厚度，其中镁合金层约40nm，催化层约5nm。

3）保护层的制备

将0.4g聚氯乙烯溶解在30mL四氢呋喃。滴10滴聚氯乙烯的四氢呋喃溶液至镀有镁合金层和催化层的玻璃片表面上。将玻璃片放在旋涂仪上，调节转速至2000r/min旋涂30s。经测保护层厚度约500nm。

将所得的调光玻璃用薄膜材料进行X射线光电子衍射，测试其组分的深度分布，结果如图2所示。

实施例3

1）基片的清洗

硅片放入烧杯内，加入适量乙醇，超声处理10min。

2）镁合金层和催化层的制备

磁控溅射系统采用直流磁控溅射仪，真空系统由分子泵和机械泵二级组成，真空室本底真空度达10^-5数量级。靶材组分分别为2英寸纯Mg金属、2英寸纯Ti金属和2英寸纯Pd金属。待本底真空度达到要求后，向真空室内充入高纯Ar气体，流量为40sccm，基片转速15r/min。待沉积压力（0.5Pa）稳定后，开始溅射。Mg和Nb采用共溅射法，Pd催化层待Mg-Nb合金层沉积完成后随即继续沉积。溅射参数分别为：W(Mg)=40W，W(Nb)=10W，W(Pd)=20W，t(Mg-Nb)=150s，t(Pd)=45s。沉积时记录各层膜厚度，其中镁合金层约40nm，催化层约5nm。

3）保护层的制备

将所得的调光玻璃用薄膜材料进行X射线光电子衍射，测试其组分的深度分布，结果如图3所示。

实施例4

1）基片的清洗

硅片放入烧杯内，加入适量乙醇，超声处理10min。

2）镁合金层和催化层的制备

磁控溅射系统采用直流磁控溅射仪，真空系统由分子泵和机械泵二级组成，真空室本底真空度达10^-5数量级。靶材组分分别为2英寸纯Mg金属、2英寸纯Ti金属和2英寸纯Pd金属。待本底真空度达到要求后，向真空室内充入高纯Ar气体，流量为40sccm，基片转速15r/min。待沉积压力（0.5Pa）稳定后，开始溅射。Mg和Ti采用共溅射法，Pd催化层待Mg-Ti合金层沉积完成后随即继续沉积。溅射参数分别为：W(Mg)=40W，W(Ti)=20W，W(Pd)=20W，t(Mg-Ti)=150s，t(Pd)=45s。沉积时记录各层厚度，其中镁合金层约40nm，催化层约5nm。

3）保护层的制备

将0.4g聚氯乙烯溶解在30mL四氢呋喃。滴10滴聚氯乙烯的四氢呋喃溶液至镀有镁合金层和催化层的玻璃片表面上。将玻璃片放在旋涂仪上，调节转速2000r/min至旋转30s。经测保护层厚度约500nm。

将所得的调光玻璃用薄膜材料进行X射线光电子衍射，测试其组分的深度分布，结果如图4所示。

结构实施例

本发明的调光玻璃用薄膜材料的结构示意图如图17所示，玻璃基片1上沉积有一镁合金层2、镁合金层2上沉积有一催化层3、催化层3上沉积有一保护层4。

测试实施例1调光玻璃用薄膜材料的调光速度性能测试

调光速度性能测试采用图18所示的装置进行评价，将镀有镁合金的薄膜的玻璃板10与一普通玻璃板20相对设置，使镀有镁合金的薄膜材料的一面面向普通玻璃板20，在两玻璃板之间用硅胶垫片30隔开，形成一可通入氢气或氘气的空腔，将半导体激光器50和硅光电二极管40分别设置在镀有镁合金的薄膜材料的玻璃板10和普通玻璃板20的外侧，将信号处理系统60串联在硅光电二极管40和半导体激光器50之间。测试时，向两层玻璃板之间通入氢气的体积分数为4%氢氩混合气体，然后用250～2600nm激光照射两玻璃板测量其透光率和反射率。再用670nm的激光照射两玻璃板，测量其在670nm的调光速度，结果如图7、10、13和16所示。

如图7所示，镁镍合金的薄膜材料的金属态薄膜透光率约5%，氢化后透光率约40%，前后透光差约35%，且氢化时间小于30s，说明调光速度很快。图10、13和16也是如此，具有较高的透光差和较快的氢化速度。

测试实施例2调光玻璃用薄膜材料的透光率和反射率性能测试

透光率性能采用HITACHI U-4100分光光度计进行测试。首先对光度计做基线的扫描，然后设置测试参数，起始波长：2600nm，终止波长：250nm，扫描速度：600nm/min，测试模式：T%，最后分别将实施例1～4的薄膜材料放进测试箱内，扫描出透光率图谱。

反射率图谱采用HITACHI U-4100分光光度计进行测试。首先对光度计做基线的扫描，然后设置测试参数：起始波长：2600nm，终止波长：250nm，扫描速度：600nm/min，测试模式：R%，最后分别将实施例1～4的薄膜材料放进测试箱内，扫描出反射率图谱。

结果显示，如图5和6所示，Mg-Ni合金在金属态时对光有非常高的反射率，只存在极少的吸收，证实其是一种反射型调光薄膜。在氢化物态时具有较高的透光率，是一种透明状态。图8和9，图11和12，图14和15亦说明了同样的问题。

Claims

1.一种调光玻璃用薄膜材料，其特征在于，该薄膜材料包括一镁合金层、一沉积于镁合金层上的催化层及一形成在催化层上的保护层。

2.如权利要求1所述的调光玻璃用薄膜材料，其特征在于，该镁合金层为Mg_xM，其中，M为Ni时，x=2.81；M为Y时，x=46.45；M为Nb时，x=13.24；M为Ti时，x=46.09。

3.如权利要求1所述的调光玻璃用薄膜材料，其特征在于，该镁合金层的厚度为40nm；所述催化层为Pd，厚度为5nm；所述保护层的厚度为500nm。

4.如权利要求1所述的调光玻璃用薄膜材料，其特征在于，所述保护层为对氢气具有扩散特性而对水具有非扩散特性的高分子材料。

5.如权利要求4所述的调光玻璃用薄膜材料，其特征在于，所述高分子材料为聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯或醋酸纤维素。

6.一种制备权利要求1所述的调光玻璃用薄膜材料的方法，其特征在于，该方法依次包括如下步骤：

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述镁合金层为Mg_xM，厚度为40nm，其中，M为Ni时，x=2.81；M为Y时，x=46.45；M为Nb时，x=13.24；M为Ti时，x=46.09；所述催化层的厚度为5nm；所述保护层的厚度为500nm。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述高分子材料为聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯或醋酸纤维素。

9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述基片为玻璃基片或者硅片。