CN106863922B - 一种有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃 - Google Patents
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Abstract
本发明属于特种玻璃材料加工生产领域，涉及一种有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃，包括微腔玻璃板，玻璃板内部有一层或二层紧密排布的微球体，微球体的表面设置一层薄膜，在每一层或双层之间紧密排布的邻近的微球体之间有微腔存在；本发明是一种新型有序真空光学微腔玻璃，允许可见区光谱范围的阳光透过，节省照明用电，球壳薄膜能阻隔红外辐射，真空的微腔具有隔冷隔热隔音效果；具有可以选择性的多彩色分光，可减少光的反射；具有防雾、防结霜优点；具有窗帘功效，室外对室内不可视，室内对室外可视；主体材料是玻璃和金属框架，适用于未来的大片标准模块化的“建材砖”,便于整片墙体建造、安装。
Description
技术领域
本发明涉及一种有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃(简称“微腔玻璃”)，属于特种玻璃材料加工生产领域。
背景技术
理想的建筑和交通运载工具必用玻璃，其要求是能提供冬暖夏凉和透光的保证。这就是要求玻璃窗既要隔冷热、保温，又要透可见光、节能低碳并且具有装饰的效果。
现有的建筑窗玻璃主要采用的有普通玻璃、颜色玻璃或中空玻璃(两片玻璃之间夹放框架并密封)，其对建筑节能和舒适虽有一定作用，但是满足不了人们的需求。除此之外，还有一种较流行的技术方法-即在普通单片玻璃上贴膜或镀膜，也能较好地达到一定的夏季隔热、冬季保温的目的。近年来在国际上热门的产品还有低辐射镀膜单片玻璃(简称LowE玻璃)和一类新发展的未来玻璃产品-电致变色玻璃。它们在节能效率和性价比等方面都存在不足。比如，二者都要有功能性材料-二氧化锡(SnO2)层。它既是低辐射膜材料又是光电子行业常用的透明导电材料；但是，SnO2价格和资源限制了未来的应用和市场。中国实用新型专利申请200420083199.0号公开了一种低辐射镀膜玻璃，它复合有五个膜层：金属氧化物膜层、金属或合金阻挡层、金属银、金属或合金阻挡层、金属氧化物膜层。该复合玻璃结构使用太多的贵金属和合金，成本高、透过率低。中国实用新型专利申请02291440.4号公开了一种中空玻璃，它由多片玻璃和一个框架构成，框架设置在其中两片玻璃之间，并通过密封材料丁基密封胶粘接和密封；玻璃采用钢化玻璃与普通玻璃的复合层，其间用PVB胶片粘合，其中一片玻璃上用钛金箔粘附。该复合玻璃结构没使用低辐射镀膜材料，没有真空间隔层结构，所以它绝热和抗辐射效果就较差。
此外，目前流行的高层建筑玻璃幕墙化；但是，玻璃幕墙除了前述问题它还存在着光污染等缺点。幕墙的光污染是由于采用了涂膜玻璃或镀膜玻璃后，当直射日光和天空光线照射到其表面时，由于玻璃的镜面反射(即正反射)而产生的反射炫光。首先，光污染是制造意外交通事故的凶手；其次，光污染也给附近的居民生活带来了麻烦，夏日阳光被反射到居室中，会使室温平均升高4～6℃，夜间干扰休息等。
上述二个专利及其它产品都不具备使玻璃既要隔冷、隔热、保温，隔离红外热辐射，又要透可见光、节能低碳、降低光污染并具有装饰的效果。目前，在市场和文献中都还没有这种有序微孔结构真空玻璃。本发明“微孔玻璃”的效能和制备方法是与以往的传统的产品不一样的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，提供了一种有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：
一种有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃，包括微腔玻璃板(1)，所述玻璃板(1)内部有一层或二层紧密排布的微球体(2)，在每一层微球体(2)的表面设置一层薄膜(3)，在每一层或双层之间紧密排布的邻近的微球体(2)之间有微腔(4)存在。
技术方案中所述的微球体(2)的形状为球形、椭球形或锥体形；所述薄膜(3)的厚度是在10-1980纳米之间；薄膜(3)的覆盖面积是一层微球体中的球形和椭球形的半个球的表面或者是锥体形的整个侧面的侧面积。
技术方案中所述微腔玻璃板(1)是平板或者是曲面板，平板或曲面板的微腔玻璃板(1)的面积是在1-60000平方厘米之间。
技术方案中所述微球体(2)的材料是透明硬质材料。
技术方案中所述的透明硬质材料为普通玻璃、石英玻璃或纯SiO2。
技术方案中所述微球体(2)的尺寸，以微球体的最大粒径为准范围在0.3-20000微米之间。
技术方案中所述薄膜(3)的材料是金属Cu、Al、Zn、Ti、Ag；或者是金属Cu、Al、Zn、Ti、Ag中两种或三种的复合材料；或者是合金材料；或者是透明硬质材料；或者是半透明硬质材料。
技术方案中所述的透明硬质材料或半透明硬质材料为半导体氧化物材料Cu2O、ZnO、TiO2、NiO、SnO2、V2O5、MoO3、WO3、Al2O3、Fe3O4或半导体氧化物材料Cu2O、ZnO、TiO2、NiO、SnO2、V2O5、MoO3、WO3、Al2O3、Fe3O4中两种、三种或多种复合的材料。
技术方案中所述微腔(4)内不存在任何物质，为真空腔体，真空的气体压强小于9.8X10-1Pa。
技术方案中所述微腔玻璃板(1)的四周边沿设置有用于密闭、安全、运输和安装用的多功能密封胶(5)和密封边框(6)；密封边框(6)为金属、合金或者是硬质塑料。
本发明的技术方案综合利用了三种物理学原理与技术：(i)光学微腔；(ii)“真空”科技；(iii)低表面辐射率材料。
(i)光学微腔
通过光学理论分析和设计，在玻璃板1中实现了在每一层紧密排布的邻近的多个微球之间有整齐排列的很小间隙的微腔。由于这些微腔存在多种曲面形状的“空气/玻璃”或“真空/玻璃”的光学界面；则在微腔的尺寸效应影响下，依据设计它们将对不同光谱波段的光线产生不同的透射、反射、散射；从而使较小尺寸的微空腔能一定程度地提高对红外波段辐射光的阻挡，保证可见光透射的特性实现。
众所周知，在我们的环境中一般来讲太阳能及各种热辐射源、光源等对于窗玻璃都是有角度入射的光线，从而使较大尺寸的微空腔结构使得非垂直玻璃表面入射的热辐射光线都产生多个角度的反射，或在微腔内多次反射而衰减；这就避免了由于普通窗玻璃以及镀膜玻璃的镜面反射(即正反射)而产生的反射炫光和光污染。
特别的当微腔4的内表面设置一层或二层低表面辐射率材料的薄膜后[参见(iii)低表面辐射率材料]，上述效应就更加显著。
(ii)“真空”科技
遵循能量的传递原理并借助“真空”科技的成果，实现了间隙微腔之内的真空度的实现。玻璃中的‘真空’微腔的引入真正地实现了无热传导和无热对流材料的创新；同时，也实现了隔声作用。因为在‘真空’微腔中没有传导和对流的媒介存在，也不存在各种声音的传导媒介。
再者，‘真空’微腔的存在替代了传统的真空腔体中必须有的支撑物，它被用来支撑玻璃受外界大气压的压力，而达到玻璃内部和外部大气压力的平衡；使玻璃板的上下表面之间保持稳固间隔和真空层。
(iii)低表面辐射率材料薄层
由于在微球2的球壳表面涂制的低辐射材料的薄膜，所以它形成了光学空腔——微腔4的内表面膜层。这个红外光热辐射反射层使得该“微腔玻璃”具有很低的表面辐射率，并对红外热辐射的反射率很高；同时可见光依然可以透过该薄膜和玻璃板。总的效果能保持室内光线柔和，实现节约照明能源、体感舒适而有利健康。
通过上述(i)光学微腔理论和光的反射、干涉和衍射效应的设计利用，在该“微腔玻璃”中，金属等类薄膜层的球壳或微腔基本单元(基元)构成了更多的曲面型镜面以及更大的反射面积，从而促进增加了更多的红外热辐射光子和光线的反射、漫射等特性；因为它们有更多和更大的承载面积和额外间隙的真空，从而为阻隔热的直接辐射提供了条件和环境。此外，它同时也可控制建筑的各个朝向对采光和太阳辐射热能隔绝的利用，使整个建筑成为更加节能而又舒适的活动空间，装饰性获得进一步改善，提升了建筑的品质。
通过上述三种物理学原理的综合设计和利用，该“微腔玻璃”实现了如下的场景应用。在夏季，它可阻止部分室外太阳发出的热辐射进入室内，室内的空调冷气却不能对流到室外，节约空调费用；而它同时对天空中漫射的可见光光线有很好的透过特性，节约照明费用。在冬季，它就会有效地把室内散热片及室内物体散发的远红外线反射回室内，保证室内热量不向室外散失。同时还能允许部分太阳的可见光进入室内，从而可以节约空调取暖和照明费用。
总之，该“微腔玻璃”在其内部引入了有序排列的微腔结构，引入了低辐射率的节能薄膜材料层，引入了“微结构超级绝热材料”——紧密排布的低气压的真空空腔，引入了遵循光学的反射/散射理论设计的“金属异型曲面式反射体”，引入了微腔的超薄镀层面积的选取以及光线通透设计(可以确定允许环境中漫射的可见光线通过和反射红外光的比例)。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
1)实现了一种新型有序真空光学微腔玻璃，该发明“微腔玻璃”具有遮阳、节能、装饰的效果。
2)它的节能低碳体现在能隔冷隔热，保温效果好，又能允许可见区光谱范围的阳光透过，而实现节省照明用电达到玻璃的效果。
3)它的隔冷隔热体现在球壳薄膜能阻隔红外辐射，以及微腔内的真空实现了无热传导、无热对流和无震动波的传导(隔音)。
4)它的遮阳和装饰体现在可以选择性的设计具有浅黄色、浅银色等多种类的颜色；具有使人眼舒适和一定的透光特征；可以选择性的具有多彩色分光，可以选择性的具有减少光的反射和慢反射，半反射或全反射镜面的装饰效果。
5)该“微腔玻璃”在冬季和潮湿阴雨天气还具有一定的防雾、防结霜优点。
6)该“微腔玻璃”也具有一定的窗帘功效，即可以实现在白日室外看不到室内的人与物，而室内却可以容易看到室外的景象。
7)该“微腔玻璃”的主体材料仅仅使用玻璃和金属框架，所以是理想的绿色循环利用的建材。
8)该“微腔玻璃”适用于未来的大片标准模块化的“建材砖”,便捷用于整片墙体建造、安装。
9)由前述的阐述，该“微腔玻璃”兼顾了各种保温及玻璃材料的优点，是性能优良的复合型绝热保温透明玻璃体建材；它与传统保温、玻璃、建筑制品相比，各项其参数指标都优越，如，它的导热系数低、适合可见光透过、能有一定的防雾防霜，隔声保温节能的功效。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是本发明的第一个实施例的整体结构的正视图；
图2是图1中A-A向剖视图；
图3是本发明的第二个实施例的整体结构的正视图；
图4是图3中A-A向剖视图；
图5是本发明的第三个实施例的整体结构的正视图；
图6是图5中A-A向剖视图；
图7是本发明的第四个实施例的整体结构的正视图；
图8是图7中A-A向剖视图；
图中：1、微腔玻璃板；2、微球；3、薄膜；4、微腔；5、密封胶；6、密封边框。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
一种有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃，包括微腔玻璃板1，所述微腔玻璃板1内部有一层(或二层)紧密排布的微球体2(微球体包含球型、椭球、锥体)，在每一层微球体2的表面设置一层薄膜3，在每一层(或双层之间)紧密排布的邻近的微球体2之间有很小间隙微腔4存在。
技术方案中所述微腔玻璃板1可以是平板，或者是曲面板；平板或曲面板的微腔玻璃板1的面积是在1-60000平方厘米之间。
技术方案中所述微球体(2)的材料是透明硬质材料(透明硬质材料包含普通玻璃、石英玻璃、纯SiO2)；微球体(2)的尺度是在0.3-20000微米之间。
技术方案中所述所述薄膜(3)的材料是金属Cu、Al、Zn、Ti、Ag，或者是它们的复合材料，或者是合金材料层，或者是透明/半透明硬质材料层(透明/半透明硬质材料层包含半导体氧化物材料及其多种复合物的材料层)；薄膜(3)的厚度是在10-1980纳米之间。薄膜(3)的覆盖面积是一层微球体中球型和椭球型的半个球的表面或者是锥体的整个侧面的侧面积。
技术方案中所述微腔4内不存在任何东西，也没有空气，其真空气体压强小于9.8X10-1Pa。
技术方案中所述玻璃板1的四周边沿设置有用于安全、运输和安装用的多功能密封胶5和密封边框6；密封边框6为硬质材料(硬质材料可以是金属、合金或者是硬质塑料)。
实施例一
本实施例的有序微腔玻璃板1是300平方厘米平板形状，其内部有二层紧密排布的SiO2微球2。微球2的尺度是1微米，在其表面设置一层金属Cu薄膜3，薄膜3的厚度是在30纳米，薄膜3覆盖半个微球的球表面。在这一层紧密排布的邻近的微球2之间有很小间隙微腔4存在。微腔4内不存在任何东西，也没有空气，其真空气体压强小于1X 10-1Pa。在玻璃板1的四周边沿装配有密封胶5和合金材质的密封边框6。
实施例二
本实施例的有序微腔玻璃板1是600平方厘米平板形状，其内部有一层紧密排布的SiO2微球2。微球2的尺度是2微米，在其表面设置一层金属Al薄膜3，薄膜3的厚度是在50纳米，薄膜3覆盖半个微球的球表面。在第一层与第二层紧密排布的微球2之间有很小间隙微腔4存在。微腔4内不存在任何东西，也没有空气，其真空气体压强小于1X 10-1Pa。在玻璃板1的四周边沿装配有密封胶5和合金材质的密封边框6。
实施例三
本实施例的有序微腔玻璃板1是600平方厘米平板形状，其内部有一层紧密排布的玻璃圆锥体2。圆锥体2的尺度是2微米，在其表面设置一层金属Al薄膜3，薄膜3的厚度是在50纳米，薄膜3覆盖完整圆锥体的侧表面。在这一层紧密排布的邻近的圆锥体2之间有很小间隙微腔4存在。微腔4内不存在任何东西，也没有空气，其真空气体压强小于1X 10-1Pa。在玻璃板1的四周边沿装配有密封胶5和合金材质的密封边框6。
实施例四
本实施例的有序微腔玻璃板1是300平方厘米平板形状，其内部有二层紧密排布的玻璃圆锥体2。圆锥体2的尺度是1微米，在其表面设置一层金属Cu薄膜3，薄膜3的厚度是在30纳米，薄膜3覆盖完整圆锥体的侧表面。在第一层与第二层紧密排布的玻璃圆锥体2之间有很小间隙微腔4存在。微腔4内不存在任何东西，也没有空气，其真空气体压强小于1X 10- 1Pa。在玻璃板1的四周边沿装配有密封胶5和合金材质的密封边框6。
Claims (8)
1.一种有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃,包括微腔玻璃板(1)，其特征在于：
所述玻璃板(1)内部有一层或二层紧密排布的微球体(2)，在每一层微球体(2)的表面设置一层薄膜(3)，在每一层或双层之间紧密排布的邻近的微球体(2)之间有微腔(4)存在；
所述薄膜(3)的材料是金属Cu、Al、Zn、Ti、Ag中的任意一种；或者是金属Cu、Al、Zn、Ti、Ag中两种或三种复合所形成的合金材料；或者是透明硬质材料；
所述的透明硬质材料为半导体氧化物材料Cu2O、ZnO、TiO2、NiO、SnO2、V2O5、MoO3、WO3、Al2O3、Fe3O4中的任意一种材料或半导体氧化物材料Cu2O、ZnO、TiO2、NiO、SnO2、V2O5、MoO3、WO3、Al2O3、Fe3O4中两种或三种复合的材料。
2.按照权利要求1所述的有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃，其特征在于：
所述的微球体(2)的形状为球形、椭球形或锥体形；所述薄膜(3)的厚度是在10-1980纳米之间；薄膜(3)的覆盖面积是一层微球体中的球形和椭球形的半个球的表面或者是锥体形的整个侧面的侧面积。
3.按照权利要求1所述的有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃，其特征在于：
所述微腔玻璃板(1)是平板或者是曲面板，平板或曲面板的微腔玻璃板(1)的面积是在1-60000平方厘米之间。
4.按照权利要求1所述的有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃，其特征在于：
所述微球体(2)的材料是透明硬质材料。
5.按照权利要求4所述的有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃，其特征在于：
所述的透明硬质材料为普通玻璃、石英玻璃或纯SiO2。
6.按照权利要求1所述的有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃，其特征在于：
所述微球体(2)的尺寸，以微球体的最大粒径为准范围在0.3-20000微米之间。
7.按照权利要求1所述的有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃，其特征在于：所述微腔(4)内不存在任何物质，为真空腔体，真空的气体压强小于9.8X 10-1Pa。
8.按照权利要求1所述的有序密集排布的微腔结构膜真空玻璃，其特征在于：所述微腔玻璃板(1)的四周边沿设置有用于密闭、安全、运输和安装用的多功能密封胶(5)和密封边框(6)；密封边框(6)为金属、合金或者是硬质塑料。
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