CN109653652A - 节能型门窗 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种节能型门窗，包括：所述节能型门窗为平开窗，在所述平开窗的窗扇和窗框之间具有橡胶密封压条；所述节能型门窗的玻璃为中空玻璃，所述中空玻璃包括多片平板玻璃，所述多片平板玻璃之间形成干燥气体空间；所述节能型门窗的窗框由断热铝合金制成；所述多片平板玻璃包括多片玻璃基板和涂覆在所述玻璃基板上的薄膜系统。此外，本发明还公开了一种制备用于节能型门窗的薄膜系统的方法。本发明通过使用二氧化钛作为抗反射膜的材料，使得二氧化钒薄膜的性能得到极大改善，并且使得节能型门窗具有防污功能、抗菌功能、除臭功能、自清洁功能、防水/亲水功能、以及防紫外线功能。

Description

节能型门窗
技术领域
本发明涉及建筑节能技术领域，特别涉及一种节能型门窗及制备用于节能型门窗的薄膜系统的方法。
背景技术
随着我国城市化规模的扩大、城镇建设的推进，以及人民生活水平的提高，建筑能耗将会逐年递增。1996年我国建筑年消耗3.3亿吨标准煤，占能源消耗总量的24％，到2001年已达3.76亿吨，占总量消耗的27.6％，年增长率为千分之五。根据预测，我国在未来较短的时间内，建筑能耗将攀升至35％以上。国内目前能源紧缺的局面将面临严峻的挑战。近几年华南及华北地区频繁的拉闸限电已给我们敲响了警钟。当前，建筑节能已成为世界各国共同关注的重大课题，是经济社会可持续发展特别是我国经济的高速增长的重要保障。
衡量建筑是否节能，主要考虑三个要素，即热量的流失或热量的交换、热量的对流以及热量的传导和辐射。热传导是由门窗使用的材料本身分子运动而进行的热量传递，通过材料本身的一个面传递到另一个面，导致热量流失；辐射主要是以射线形式直接传递，导致热量流失；对流是通过门窗的间隙造成热冷空气的循环流动，通过气体对流使得热量交换，导致热量流失。门窗的热量流失主要通过以下方式：型材热量传导损失、通过玻璃的辐射热量损失、通过门窗缝隙的空气对流热量损失。
门窗的节能问题是建筑节能中首先必须考虑的问题。在建筑的四大围护部件中(门窗、墙体、屋面及地面)，门窗的隔热保温性能最差，是影响室内热环境和建筑节能的主要因素之一，就我国目前典型的围护部件而言，门窗的能耗约为墙体的4倍、屋面的5倍、地面的20多倍，约占建筑围护结构能耗的50％以上。
欧美发达国家自20世纪70年代起开展建筑节能工作，至今已取得了十分突出的成效。窗户的节能技术也获得了长足的进展，节能窗呈现出多功能、高技术化的发展趋势。人们对门窗的功能要求从简单的透光、挡风、挡雨到节能、舒适、灵活调整采光量等，在技术上从使用普通的平板玻璃到使用中空隔热技术(中空玻璃)和各种高性能的绝热制膜技术(热反射玻璃等)。目前，发达国家已开始研制下一代具有“智能化”的节能玻璃窗，简称智能窗，这种智能窗能根据环境条件或人的意志来改变透入室内的日照量，实现最大限度的节能。
为了提高建筑门窗节能效果可采取以下关键性技术措施：
第一，选择合适的朝向和窗墙面积比，减少太阳辐射传热，根据太阳高度角和方位角的变化规律，建筑的南向开窗夏季可以减少太阳辐射得热，冬季可以增加太阳辐射得热，是最有利的建筑朝向。比如：在苏州，夏季的主导风为东南风，东南向建筑有利于自然通风，而太阳辐射得热又不是很强，所以在苏州，东南朝向是推荐朝向。
为了避免开窗面积过大影响建筑能耗，在建筑节能的相关标准中，对建筑物的开窗作了要求，即窗墙面积比。其含义为：整栋建筑外墙面上的窗及阳台门的透明部分的总面积与整栋建筑的外墙面的总面积之比。这里窗的面积强调的是透明部分的面积，即具有采光功能部分窗的面积，假如开窗的背面设有墙体或遮挡不应计入窗面积。
通常窗户的传热热阻比墙体的传热热阻要小得多，因此，建筑的冷、热耗量随窗墙面积比的增加而增加，相反，窗墙面积比设计越小，热量损耗就越小，节能效果越佳。一般而言，不同朝向的太阳辐射强度和日照率不同，窗户所获得的太阳辐射热也不相同，南、北朝向的太阳辐射强度和日照率高，窗户所获得的太阳辐射热多。GB50176-1993《民用建筑热工设计规范》规定采暖居住建筑当墙体按最小传热阻设计时，各朝向窗墙面积比为：北向不大于0.20；东、西向不大于0.25(单层窗)或0.30(双层窗)；南向不大于0.35。
第二，选用适宜的窗型，减少热量对流。门窗窗型是影响节能性能的第一要素。常用窗型一般为推拉窗、平开窗，推拉窗的节能效果差，而平开窗的节能效果优越。推拉窗在窗框下滑轨来回滑动，上部有较大的空间，下部有滑轮间的空隙，窗扇上下形成明显的对流交换，热冷空气的对流形成较大的热损失，此时，不论采用何种隔热型材作窗框都达不到节能效果。
平开窗的窗扇和窗框间一般有橡胶密封压条，在窗扇关闭后，密封橡胶压条压得很紧，几乎没有空隙，很难形成对流，热量流失主要是玻璃、窗扇和窗框型材本身的热传导、辐射散热和窗扇与窗框接触位置的空气掺漏，以及窗框与墙体之间的空气渗漏等。
通常，平开窗保温性能要高于推拉窗20％左右，因为窗户的冷风渗透耗热量在整窗耗热量中占有一定比例(约10％～30％)，而平开窗气密性要高于推拉窗1～2个等级，所以，从节能角度考虑，应尽量选用平开窗。
第三，合理选用中空玻璃，控制辐射热量。在窗户中，玻璃面积占窗户面积的65％～75％，它主要是通过热辐射使得能量的损耗，所以我们在选择建筑门窗玻璃时，就得合理的选择玻璃，来控制通过门窗的辐射传热，从而保证整体建筑的节能效果。
玻璃节能以传热系数考核，传热系数越小，保温性能越好，节能越高；传热系数越大，保温性能越差，节能越低。各种不同的玻璃具有不同的传热性能，单片玻璃传热系数最高，不适合用于节能门窗，中空玻璃节能性能优于单玻，Low-E中空玻璃节能性能最佳。
中空玻璃是指两片或多片平板玻璃其周边用间隔框分开，并用密封胶密封，使玻璃层间形成有干燥气体空间的产品。由于在两片玻璃之间形成了一定的厚度并被限制了流动的空气或其他气体层从而减少了玻璃的对流和传导传热，因此，它具有较好的隔热能力。
低辐射玻璃(又称Low-E玻璃)具有良好的光谱选择性，在大量通过可见光的基础上，能阻挡相当部分的红外线进入室内，特别是远红外线几乎完全被其反射回去而不透过玻璃，既保持了光线高透过率，又在很大程度上减少室内热负荷，能够阻断热量通过玻璃的传输，具有良好的节能的效果。
由LOW-E玻璃组合而成的中空产品，其阻热性能可以比普通中空玻璃提高一到二倍以上，具有极佳的阳光控制和热控能力。在炎热的夏季室外温度高于室内温度，LOW-E中空玻璃可以防止室外热量辐射到室内，在寒冷的冬季由于室内温度比室外温度高，LOW-E中空玻璃可以防止室内温度向室外辐射，并防止温度的扩散损失。LOW-E中空玻璃良好的隔热作用，使之成为节能门窗玻璃最为理想的选择。
第四，选用合适的窗框材料，降低热量传导。窗用型材约占外窗洞口面积的15％～30％，是建筑外窗中能量流失的另一个薄弱环节，通过窗框的热损失在窗户的总热损失中占有一定的比例，因此，窗用型材的选用也是至关重要的。窗框材料的导热系数决定门窗不同的能耗，导热系数越大，传热能力越强，能耗越大。我国常用的窗框材料有铝合金、PVC塑料、钢材、断热铝合金等；PVC塑料材质的导热系数最低，有利于隔热，但其强度、耐久性、防火等都不及铝合金材料，从环保的角度考虑，塑料型材在锯切时会放出毒烟雾，火灾时放出有毒气体“二恶英”，属于非环保产品，不推荐使用。钢材的导热系数非常大，热传导很快，不利于节能。铝合金型材对紫外线、可见光、红外线有很好的反射能力，其表面的反射能力与表面状态和颜色有关，对热辐射的反射能力最高可达90％，这对于阻隔太阳辐射热是很有利的，但铝合金的导热性能很高，也不利于节能。
为避开铝合金自身的不足，开发了断热铝合金型材，断热铝合金型材的原理是在铝中间穿入隔热条，将铝型材断开形成断桥，有效阻止热量的传导，它不仅保留了铝型材的优点，同时也大大降低了铝型材传热系数，节能效果比较好，是门窗节能的最佳选择。
隔热型材的生产方式主要有两种，一种是采用隔热条材料与铝型材，通过机械开齿、穿条、滚压等工序形成“隔热桥”，称为隔热型材“穿条式”；另一种是把隔热材料浇注入铝合金型材的隔热腔体内，经过固化，去除断桥金属等工序形成“隔热桥”，称为“浇注式”隔热型材。隔热型材的内外两面，可以是不同断面的型材，也可以是不同表面处理方式的不同颜色型材。
但受地域，气候的影响，避免因隔热材料和铝型材的线膨胀系数的差距很大，在热胀冷缩时二者之间产生较大应力和间隙；同时隔热材料和铝型材组合成一体，在门窗上，同样和铝材一样受力。因此，要求隔热材料还必须有与铝合金型材相接近的抗拉强度、抗弯强度，膨胀系数和弹性模量，否则就会使隔热桥遭到断开和破坏。
第五，提高门窗的密闭性，减少空气对流传热。门窗的气密性是指在门窗关闭状态下，阻止空气渗透的能力。门窗气密性等级的高低，对热量的损失影响极大，室外风力变化会对室温产生不利的影响，气密性等级越高，则热量损失就越少，对室温的影响也越小。因此，提高门窗的密闭性，减少冷风渗透，也是提高窗户节能性的一种途径。
居住建筑和公共建筑窗户的气密性，在GB50176-1993《民用建筑热工设计规范》规定：在冬季室外平均风速大于或等于3.0m/s的地区，对于1～6层建筑，不应低于现行国家标准《建筑外窗空气渗透性能分级及其检测方法》GB7107规定的Ⅲ级水平；对于7～30层建筑，不应低于上述标准规定的Ⅱ级水平；在冬季室外平均风速小于3.0m/s的地区，对于1～6层建筑，不应低于上述标准规定的Ⅵ级水平；对于7～30层建筑，不应低于上述标准规定的Ⅲ级水平。
空气渗透主要在窗框与窗扇之间，扇框与玻璃之间，窗框与墙体之间进行。采用理想的密封条可以最大限度减少窗框与窗扇之间、窗框与玻璃之间的空气渗透。密封条以材料分有橡胶条、塑料条或橡塑结合；以形状分有条状、刷状、片状；固定方法有粘贴、挤紧或钉接等。密封胶条必须具有足够的拉伸强度、良好的弹性、良好的耐温性和耐老化性，断面结构尺寸要与门窗型材匹配。
因为质量不好的胶条耐老化性差，经太阳长期暴晒，胶条老化后变硬，失去弹性，容易脱落，不仅密封性差，而且造成玻璃松动产生安全隐患。洞口密封材料的质量直接影响窗框与墙体之间的密封，既影响着房屋的保温节能效果，也关系到墙体的防水性能，因此，也须正确选用洞口密封材料。
门窗框的四边与墙体之间的空隙，通常使用聚氨酯发泡体进行填充，此类材料不仅有填充作用，而且还有很好的密封保温和隔热性能，另外应用较多的密封材料还有硅胶、三元乙丙胶条。当窗户的密封性能达不到节能标准要求时，应当采取适当的密封措施，例如在缝隙处设置橡皮、毡片等制成的密封条或密封胶，提高窗户的气密性。
就目前的总的情况来看，节能窗在我国还没有得到推广应用。一是我国的建筑节能工作起步较晚，相应法规还不够完备，全民节能意识也不够强烈；二是我国节能窗技术不够完善，成本较高，市场难于接受。但就发达国家和地区的经验来看，节能窗的应用是建筑节能的重要环节，迟早都会得到广泛采用。根据美国国家门窗评定委员会(NFRC)初步统计，节能窗的使用年间可节省30％的取暖和制冷费用。目前在欧美，90％以上的建筑采用了中空玻璃，居住建筑中40％的玻璃已经开始使用Low-E中空玻璃。
然而，在实际情况中人们对日照辐射的需求，随着气候与季节，甚至同一天的不同时间而发生变化。天气较热时，我们希望尽量少的日照辐射进入室内，即要求窗户有高的遮阳系数；天气转凉时，我们希望尽量多的日照辐射进入室内，又要求窗户的遮阳系数尽可能地低。当然，采用机械类的遮阳系统可达到目的。但如果从玻璃本身着手，使玻璃的光学特性可以调节，可以随着不同时间太阳日照辐射的变化而变动，应该是一种更先进合理的办法，这就是所谓的智能型节能窗，简称智能窗。智能化特点将是下一代节能窗的一个重要标志。智能窗的出现，标志着人们对建筑节能的进一步的深入和推进。
智能窗的实现可有多种方式。这些智能窗主要依靠沉积在窗玻璃上的薄膜，在某些物理因素(如光、电或热)激发下使薄膜的光学性质发生改变，从而实现对太阳能辐照的调节。薄膜光学性质的改变叫变色。变色机理可分为电致变色、热致变色、气致变色以及光致变色等等。基于这些变色机理的智能窗均可实现对太阳光不同程度的调节，但各有利弊。譬如，电致变色可从高透过率连续地变化至低透过率，开关效率较高，但制作工艺复杂且需要电源供压，系统成本较高，目前只小规模应用在高档汽车玻璃上；光致变色可简单地通过光照来改变光学性能，如太阳镜，但目前还不能适用于浮法玻璃生产工艺，如果起变色作用的是有机塑料层，材料的耐久性又是个问题；气致变色节能窗是当前研究的一个热点，这种节能窗可通过氢气氩气混合气体来实现变色，最大利点是它可与太阳能制氢技术结合，但另一方面，制氢装置和窗户高的气密性要求又大大限制了它的应用；对于热致变色，目前市面上已开发出了若干产品，如墨水、颜料、安全设备、温度指示器等等，在智能窗方面，有的公司已开发出热敏聚合物，有一定效果，但聚合物的耐久性依然是一个有待克服的难题。
二氧化钒(VO2)是一种典型的热色相变材料，块体相变温度68℃。低于此温度，它呈半导体特性，中等透明；高于68℃时，呈金属特性，对红外高反射。重要的是，它的相变温度可以通过高价态金属的搀杂降低到室温附近。将二氧化钒应用于节能窗的研究早在上个世纪70年代初就已经开始了。然而，发明人经研究发现，现有技术中，在技术开发上主要存在两个问题：低的可视透过率(小于30％，膜厚50nm)和低的太阳能调节率(约12％，膜厚50nm)。低的可视透过率是二氧化钒(VO2)应用的最大障碍。最可行方法是利用光学抗反射薄膜。但人们发现沉积在二氧化钒(VO2)上的抗反射膜(如SiO2)因界面分子的“锁定效应”，二氧化钒(VO2)将失去热色特性。二氧化钒(VO2)薄膜作为智能温控窗应用有三个关键因素：相变温度、红外调节率和可见透过率。然而，这三个指标并不是相互独立的，大量研究工作都主要针对其中某个或部分关键性能进行优化改进，牺牲了其他关键参数的性能。
要提高红外调节率，就需要增加二氧化钒(VO2)薄膜的厚度，但二氧化钒(VO2)薄膜厚度的增加，会使可见光透过率下降；而可见光透过率过低，则采光效果差，难以作为智能窗应用。因此需要选择合适的掺杂量和二氧化钒(VO2)薄膜厚度，来兼顾相变温度和红外调节率。在此基础上，通过引入一层光学抗反射薄膜，可以提高光透过率。
通过添加例如钨(W)的金属元素，可以降低转变温度，因此已经有大量研究使用了这种金属掺杂的二氧化钒(VO2)作为门窗中能够根据环境温度自动调节太阳光透射的涂层材料。基于二氧化钒(VO2)的显色窗口材料(其中“基于二氧化钒”包括二氧化钒添加有金属元素等的情况)具有非常简单的结构，同时具有在显示热致变色期间始终透明的巨大优势。同时，传统基于二氧化钒(VO2)的显色材料又存在很大缺点，例如可见区域的透射率非常低，且该种材料仅有单一的显色功能。
发明人经过研究发现，通过将基于二氧化钒(VO2)的热致变色材料涂覆到基板上然后在其上涂覆二氧化钛(TiO2)薄膜可以克服上述缺陷，所述二氧化钛(TiO2)薄膜还可以作为最外层的抗反射膜，从而到达防污功能、抗菌功能、除臭功能、清洁功能和防水/亲水功能、以及防紫外线功能等。
发明内容
基于此，为解决现有技术中的技术问题，特提出了一种节能型门窗，包括：
所述节能型门窗为平开窗，在所述平开窗的窗扇和窗框之间具有橡胶密封压条；所述节能型门窗的玻璃为中空玻璃，所述中空玻璃包括多片平板玻璃，所述多片平板玻璃之间形成干燥气体空间；所述节能型门窗的窗框由断热铝合金制成；
所述多片平板玻璃包括多片玻璃基板和涂覆在所述玻璃基板上的薄膜系统；所述薄膜系统由热致变色薄膜层及抗反射薄膜层的多层膜结构组成；所述热致变色薄膜层为二氧化钒薄膜；所述抗反射薄膜层为二氧化钛薄膜；其中，所述二氧化钛薄膜为所述薄膜系统的最外层。
在一种实施例中，所述二氧化钒薄膜中掺杂有一种或多种元素；所述元素包括钨、钼、铌、钽。
在一种实施例中，所述二氧化钒薄膜的厚度范围为20nm-100nm。
在一种实施例中，所述二氧化钛薄膜中掺杂有一种或多种元素；所述元素包括铁、铬、钒、钽、铈、钨。
在一种实施例中，所述抗反射薄膜为单层二氧化钛薄膜组成，所述单层二氧化钛薄膜涂覆在作为热致变色薄膜层的所述二氧化钒薄膜的外侧；所述涂覆在所述玻璃基板上的薄膜系统的结构由内至外包括二氧化钒薄膜/二氧化钛薄膜。
在一种实施例中，所述二氧化钒薄膜的厚度为50nm，所述二氧化钛薄膜的厚度为50nm。
在一种实施例中，所述抗反射薄膜是由两层二氧化钛薄膜组成的多层膜系，作为热致变色薄膜层的所述二氧化钒薄膜夹于两层二氧化钛薄膜之间；所述涂覆在所述玻璃基板上的薄膜系统的结构由内至外包括二氧化钛薄膜/二氧化钒薄膜/二氧化钛薄膜。
在一种实施例中，所述二氧化钒薄膜的厚度为50nm，每层二氧化钛薄膜的厚度皆为25nm。
此外，为解决现有技术中的技术问题，特提出了一种制备用于节能型门窗的薄膜系统的方法，包括：
第一步，利用转换矩阵方法计算二氧化钒薄膜的和二氧化钛薄膜的膜厚度；
第二步，利用磁控溅射装置在玻璃基板上制备掺杂有钨的二氧化钒薄膜，所述二氧化钒薄膜具有计算得到的膜厚度；
第三步，在保持真空的情况下，在氩气中进行二氧化钛溅射，在二氧化钒薄膜的外侧形成二氧化钛薄膜，从而形成抗反射薄膜；所述二氧化钛薄膜具有计算得到的膜厚度，从而得到表面覆盖有薄膜系统的玻璃基板；
第四步，利用多片表面覆盖有薄膜系统的玻璃基板制成多片平板玻璃，利用所述多片平板玻璃制成所述节能型门窗的中空玻璃，所述多片平板玻璃之间形成干燥气体空间；
第五步，利用断热铝合金制成窗型为平开窗的窗框；
第六步，利用所述中空玻璃及所述窗框制成所述节能型门窗。
在一种实施例中，使用磁控溅射装置通过交替溅射形成多层膜结构，使得所述二氧化钒薄膜夹在两层二氧化钛薄膜之间。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
本发明涉及将基于二氧化钒(VO2)的热致变色材料涂覆到基板上，并且在其上涂覆基于二氧化钛(TiO2)的薄膜作为最外层的涂层。首先，通过使用二氧化钛(TiO2)作为抗反射膜的材料，解决了现有技术中二氧化钒(VO2)作为热致变色材料的问题，并且其性能得到极大改善；其次，可以结合外层二氧化钛(TiO2)薄膜所具有的材料功能实现多功能的节能门窗，即防污功能、抗菌功能、除臭功能、自清洁功能、防水/亲水功能、以及防紫外线功能；可以应用于多种门窗，例如作为建筑物的门窗，使其获得健康、舒适功能，实现节能环保目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
其中：
图1为本发明中用于节能型门窗的二氧化钒薄膜系统实施例一的结构示意图；
图2为本发明中用于节能型门窗的二氧化钒薄膜系统实施例二的结构示意图；
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的技术方案中，在作为基板的门窗玻璃之上涂覆合适厚度的基于二氧化钒(VO2)的热致变色薄膜；优选的，涂覆二氧化钒(VO2)的厚度范围是20-100nm。为了将基于二氧化钒(VO2)的热致变色材料的转变温度设定为接近室温(20℃)的规定温度，向二氧化钒(VO2)中加入诸如钨(W)或钼(Mo)等金属元素。
在基于二氧化钒(VO2)的热致变色薄膜上涂覆用作抗反射膜的二氧化钛(TiO2)薄膜作为外层从而构成显色薄膜系统，其在接近室温的规定温度下具有优异的显色功能。如图1所示，首先在玻璃基板1上涂覆一层二氧化钒薄膜3，然后在所述二氧化钒薄膜3的外侧涂覆一层二氧化钛薄膜2，所述二氧化钛薄膜2为最外层。
采用上述结构，最外层的二氧化钛(TiO2)薄膜在用作抗反射薄膜的同时还能够展现出各种光催化性能。通过精确的光学计算可以确定二氧化钒(VO2)薄膜和二氧化钛(TiO2)薄膜的最佳厚度，使得该显色薄膜系统的透射率最大化，即反射率最小化。
其中，为了使上述显色薄膜系统的反射率最小化，可以使用多层膜结构的光学结构来尽可能地防止反射，只要最外层是二氧化钛(TiO2)即可。例如，通过使用多层膜结构可以获得更好的抗反射效果，其中二氧化钒(VO2)薄膜夹在二氧化钛(TiO2)薄膜之间而不是仅仅使用单个抗反射二氧化钛薄膜作为最外层。如图2所示，在玻璃基板1上，在两层二氧化钛薄膜2之间夹有一层二氧化薄膜3。
其中，除了钨(W)之外，将钼(Mo)、铌(Nb)、钽(Ta)等元素添加到二氧化钒(VO2)中也是有效的，上述元素的加入可以有效地降低热致变色材料的转变温度。此外，在本发明中，可以使用各种改善二氧化钛(TiO2)薄膜的光催化性能的方法，例如等离子体照射、离子注入以及添加其它元素。
在本发明中，使用反应溅射法制造添加有钨的二氧化钒(VO2)薄膜。具体地，通过反应溅射含有规定量钨(W)钒(V)的合金靶，或同时采用双重溅射钨钒靶，制备加入规定量钨(W)的二氧化钒(VO2)薄膜。
二氧化钛(TiO2)薄膜可以通过使用钛金属靶的反应溅射法或溅射二氧化钛陶瓷靶的方法形成。为了改善光催化性能，向二氧化钛(TiO2)中可以加入诸如铁(Fe)、铬(Cr)、钒(V)、钽(Ta)、铈(Ce)、钨(W)等元素，并且通过精细控制溅射条件形成规定的结晶相。
如上所述，溅射法是制造本发明中的薄膜的优选方法。然而，只要能够获得薄膜系统的规定性能，也可以使用其他方法，例如真空沉积方法或溶胶-凝胶方法。因此，本发明对制备薄膜系统的方法没有特别限制。
如上所述，本发明中，将基于二氧化钒(VO2)的热致变色薄膜涂覆到作为基板的门窗玻璃上，再将基于二氧化钛(TiO2)的光催化薄膜适当地涂覆在二氧化钒(VO2)薄膜上作为最外层。本发明涉及门窗玻璃涂层材料，结合了热致变色功能、光催化功能，如防污功能、抗菌功能、除臭功能、清洁功能和防水/亲水功能，二氧化钛(TiO2)和二氧化钒(VO2)的组合还具有吸收有害的紫外线功能，以及在显示热致变色期间保持透明性和高透射率的性能。
本发明最重要的是使用二氧化钛(TiO2)薄膜作为最外层。在本发明中，使用二氧化钛(TiO2)能够大大提高抗反射膜的透射率，并且可以将各种功能结合到显色材料中，例如防污功能、抗菌功能、除臭功能、清洁功能、防水/亲水功能，以及防紫外线功能。
在本发明的技术方案中，使用转换矩阵法计算确定最佳膜厚度，使得薄膜系统的透射率最大化。具体而言，利用物质的光学常数进行精确计算，如二氧化钒(VO2)和二氧化钛(TiO2)，因此在二氧化钛(TiO2)/二氧化钒(VO2)结构中获得每层材料(TiO2和VO2)的最佳膜厚度(单层抗反射结构)和二氧化钛(TiO2)/二氧化钒(VO2)/二氧化钛(TiO2)结构中(多层抗反射结构)每层材料的最佳膜厚度。
使用反应溅射法制造添加有钨的二氧化钒薄膜。具体地，可以利用钒和钨的合金靶进行反应溅射，或者采用钨靶和钒靶同时双溅射来制造含有规定量的钨的二氧化钒薄膜。二氧化钛薄膜可以通过使用钛金属靶的反应溅射法或二氧化钛陶瓷靶溅射的方法制作而成，通过精细控制溅射条件来形成规定的结晶相。如上所述，溅射法是本发明中制造薄膜材料最合适的方法之一，因为在大面积门窗上也可均匀地进行涂覆。其他方法包括真空沉积方法和溶胶-凝胶方法。这些方法的制造成本较低，但与溅射法相比，附着力和涂层均匀性稍差。然而，对于制备薄膜的方法没有特别限制，可以使用替代的制膜方法来进行膜层的制作，例如真空沉积方法或溶胶-凝胶方法，只要能够获得特定性质的薄膜材料即可。
本发明公开的用于节能型门窗玻璃的二氧化钒薄膜系统的制备方法，主要包括如下步骤：
通过溅射的方法制备掺杂的金属钒膜，为了使得后续处理过程后薄膜系统具有一定可见光透射率和红外调节特性，金属钒钨膜厚度控制在15-80nm；
采用真空通氧退火的方法把掺杂金属钒膜退火氧化成掺杂二氧化钒薄膜，薄膜厚度为20-100nm；
测试掺杂二氧化钒薄膜的透射谱和反射谱，提取掺杂二氧化钒薄膜的光学常数；
应用掺杂二氧化钒膜和光学介质的光学常数，设计门窗玻璃用二氧化钒薄膜系统，计算各层厚度对薄膜系统整体性能的影响；
通过溅射的方法在膜层表面沉积一层抗反射层，抗反射层的厚度依据计算中性能优异的区段进行选择。
具体地，在本发明中，使用磁控溅射装置来制造所述薄膜系统。在该装置中可以放置3个阴极，并且可以使用高频电源或直流电源对每个阴极进行电压功率控制。其中，可以旋转基板，并且可以将基板的温度精确地设定为从室温到800℃之间的任何温度。所有薄膜涂层的制作均采用磁控溅射完成。具体地，该磁控溅射系统包含一个样品安装室和一个主溅射室。主溅射室与一个分子扩散泵连接，真空度为2.5×10-6Pa。溅射室有三个靶位可供安装三个不同靶材，可以共聚焦方式共溅射或三靶独立的方式溅射。样品载台可升温至800℃以上并可在溅射过程中连续转动。
将钒(V)靶(纯度99.9％，直径50mm)，钨(W)靶(纯度99.99％，直径50mm)和二氧化钛(TiO2)靶(纯度99.99％，直径50mm)安装在上述通用磁控溅射装置的阴极上。利用抽真空系统抽真空至2.5×10-6Pa以下，引入氩气和氧气，从而形成制作薄膜的环境。基板温度设定在室温至500℃的范围内；基板可以使用各种类型材质，例如石英玻璃、硅单晶、蓝宝石和耐热玻璃。
第一步，在实施例一中，利用材料的物理性质和光学常数的抗反射理论方程，通过转换矩阵法计算在门窗玻璃上形成双层结构的情况下二氧化钒(VO2)薄膜的和二氧化钛(TiO2)薄膜的最佳膜厚度。计算结果得到，二氧化钒(VO2)薄膜厚度为50nm时是最合适的，并且在这种情况下，当二氧化钛(TiO2)薄膜的厚度为50nm时可见光抗反射效果最大。
在实施例二中，使用相同的方法计算在门窗玻璃上形成二氧化钒(VO2)薄膜夹在两层二氧化钛(TiO2)薄膜(厚度分别为d1和d2)之间的多层结构时，各层薄膜的最佳膜厚度。结果发现，在二氧化钒(VO2)薄膜厚度为50nm的情况下，当两层二氧化钛(TiO2)薄膜厚度d1和d2均为25nm时，可见光抗反射效果最大。
第二步，制备添加有钨的二氧化钒薄膜。具体地，基板温度为500℃，压强为0.6Pa，氧气量为7％，施加于钒靶的功率为180W。施加到钨靶上的功率为10W至40W；使用磁控溅射装置形成50nm厚的二氧化钒(VO2)薄膜，并且其中添加有钨。
第三步，在实施例一中，在保持真空的情况下，对二氧化钛(TiO2)靶施加160W的功率，在氩气中进行二氧化钛(TiO2)溅射，从而在二氧化钒(VO2)薄膜的外侧形成50nm的二氧化钛(TiO2)薄膜，从而形成具有单层结构的抗反射薄膜。
在实施例二中，在相同的溅射条件下，也可以通过交替溅射形成多层抗反射结构，使得50nm厚的二氧化钒(VO2)薄膜夹在两层25nm厚的二氧化钛(TiO2)薄膜之间。
对于在石英玻璃或蓝宝石的基板上形成的具有双层薄膜结构的样品，在20℃下(当二氧化钒薄膜是半导体相时)和80℃(当二氧化钒薄膜是金属相时)下使用温度可控的分光光度来计测量光谱透射率和光谱反射率。此外，获取在2000nm波长下的透射率与温度变化的关系，并且由透射率/温度曲线确定材料的相变温度。
使用二氧化钒(VO2)和二氧化钛(TiO2)的光学常数来确定膜厚度的最佳组合，通过抗反射理论方程计算系统透射率。在单层抗反射的情况下，在石英玻璃上的二氧化钒(VO2)薄膜为50nm厚的情况下，当二氧化钛(TiO2)薄膜厚度为50nm，透射率从33％大幅提高到54％。在多层抗反射的情况下，当50nm厚的二氧化钒(VO2)显色薄膜夹在两层25nm厚的二氧化钛(TiO2)薄膜之间时，获得超过60％的透射率。
实施本发明实施例，将具有如下有益效果：
通过此方法设计制备出的二氧化钒薄膜系统，具有接近室温的相变温度，而且还具有高的红外调节率和较高的可见光透过率。因此，薄膜系统不仅具有良好的采光性能，而且可以随着季节变化自适应地调节红外光的入射量，是一种性能优异的智能窗薄膜系统。
当夏日阳光直射时，玻璃表面温度高于此薄膜系统相变温度，二氧化钒层转变成金属相，红外透过率变小，可以大幅减少太阳光红外辐射入射量，减少制冷耗能。而当冬天时，玻璃表面温度低于此相变温度，二氧化钒层转变成半导体相，允许大部分太阳光红外辐射进入室内，减少取暖耗能。
薄膜系统红外调节率是指其室温红外透过率和高温红外透过率的差，红外透过率高意味着薄膜在高温时具有很低的红外透过率，而在低温时具有很高的红外透射率。因此可以随着气温变化对太阳光红外辐射进行大幅调节。
由于采用了抗反射设计，薄膜系统在可见波段具有较高的可见光透过率。因此可以允许一部分可见光进入室内，即具有一定采光效果，减少室内照明耗能。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种节能型门窗，其特征在于，包括：
所述节能型门窗为平开窗，在所述平开窗的窗扇和窗框之间具有橡胶密封压条；所述节能型门窗的玻璃为中空玻璃，所述中空玻璃包括多片平板玻璃，所述多片平板玻璃之间形成干燥气体空间；所述节能型门窗的窗框由断热铝合金制成；
所述多片平板玻璃包括多片玻璃基板和涂覆在所述玻璃基板上的薄膜系统；所述薄膜系统由热致变色薄膜层及抗反射薄膜层的多层膜结构组成；所述热致变色薄膜层为二氧化钒薄膜；所述抗反射薄膜层为二氧化钛薄膜；其中，所述二氧化钛薄膜为所述薄膜系统的最外层。
2.根据权利要求1所述的节能型门窗，其特征在于，
所述二氧化钒薄膜中掺杂有一种或多种元素；所述元素包括钨、钼、铌、钽。
3.根据权利要求1所述的节能型门窗，其特征在于，
所述二氧化钒薄膜的厚度范围为20nm-100nm。
4.根据权利要求1所述的节能型门窗，其特征在于，
所述二氧化钛薄膜中掺杂有一种或多种元素；所述元素包括铁、铬、钒、钽、铈、钨。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的节能型门窗，其特征在于，
所述抗反射薄膜为单层二氧化钛薄膜组成，所述单层二氧化钛薄膜涂覆在作为热致变色薄膜层的所述二氧化钒薄膜的外侧；所述涂覆在所述玻璃基板上的薄膜系统的结构由内至外包括二氧化钒薄膜/二氧化钛薄膜。
6.根据权利要求5所述的节能型门窗，其特征在于，
所述二氧化钒薄膜的厚度为50nm，所述二氧化钛薄膜的厚度为50nm。
7.根据权利要求1-4中任一项的节能型门窗，其特征在于，
所述抗反射薄膜是由两层二氧化钛薄膜组成的多层膜系，作为热致变色薄膜层的所述二氧化钒薄膜夹于两层二氧化钛薄膜之间；所述涂覆在所述玻璃基板上的薄膜系统的结构由内至外包括二氧化钛薄膜/二氧化钒薄膜/二氧化钛薄膜。
8.根据权利要求7所述的节能型门窗，其特征在于，
所述二氧化钒薄膜的厚度为50nm，每层二氧化钛薄膜的厚度皆为25nm。
9.一种制作节能型门窗的方法，其特征在于，包括：
第一步，利用转换矩阵方法计算二氧化钒薄膜的和二氧化钛薄膜的膜厚度；
第二步，利用磁控溅射装置在玻璃基板上制备掺杂有钨的二氧化钒薄膜，所述二氧化钒薄膜具有计算得到的膜厚度；
第三步，在保持真空的情况下，在氩气中进行二氧化钛溅射，在二氧化钒薄膜的外侧形成二氧化钛薄膜，从而形成抗反射薄膜；所述二氧化钛薄膜具有计算得到的膜厚度，从而得到表面覆盖有薄膜系统的玻璃基板；
第四步，利用多片表面覆盖有薄膜系统的玻璃基板制成多片平板玻璃，利用所述多片平板玻璃制成所述节能型门窗的中空玻璃，所述多片平板玻璃之间形成干燥气体空间；
第五步，利用断热铝合金制成窗型为平开窗的窗框；
第六步，利用所述中空玻璃及所述窗框制成所述节能型门窗。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，
使用磁控溅射装置通过交替溅射形成多层膜结构，使得所述二氧化钒薄膜夹在两层二氧化钛薄膜之间。
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