CN204727775U - 可单片使用阳光控制镀膜玻璃 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可单片使用阳光控制镀膜玻璃，包括玻璃基板以及设于所述玻璃基板一侧面的膜层，所述膜层自玻璃基板向外依次为介质阻挡层、第一牺牲层、功能层、第二牺牲层、介质支撑层和顶层保护层。本实用新型实施例的可单片使用阳光控制镀膜玻璃耐候性良好，可以单片使用，并且装饰效果俱佳。

Description

可单片使用阳光控制镀膜玻璃

技术领域

本实用新型涉及镀膜玻璃技术领域，尤其涉及一种可单片使用阳光控制镀膜玻璃。

背景技术

现代建筑物常常装有大面积窗户，特别是商业建筑、大型商场和写字楼等大型建筑经常使用玻璃幕墙，导致大量的太阳光通过玻璃幕墙进入室内，在炎热的夏季由于入射的太阳辐射能多于通过玻璃幕墙损失的热量，致使室内温度持续升高，加重了室内空调制冷的能耗，此时就需要使用阳光控制镀膜玻璃，通过功能层对太阳光的吸收和反射降低阳光透射比，减少进入室内的太阳辐射热，从而减少空调能耗，达到节能的效果；同时阳光控制镀膜玻璃还可以调节玻璃的反射颜色，对建筑起到装饰的作用。常规的离线阳光控制镀膜玻璃的膜系多采用glass/Si₃N₄/功能层/Si₃N₄的三层膜系结构，功能层可以是NiCr、Fe、TiN等材料，最常用的是NiCr。如已知的glass/Si₃N₄/NiCr/CrN/Si₃N₄结构的阳光控制膜系，以NiCr和CrNx作为功能层，但是二者都不耐酸和盐雾腐蚀，最外层的Si₃N₄不耐碱腐蚀；还有glass/SnO_x/SSTN_x/SnO_x膜系结构，但功能层SSTN_x不耐酸腐蚀，SnO_x质地较软，不能为功能层提供足够的力学保护；另外一种已知的glass/Si₃N₄或TiO₂/Cr/Si₃N₄三层结构的阳光控制镀膜玻璃，功能层Cr不耐酸腐蚀，表层Si₃N₄膜不耐碱腐蚀；以及glass/TiO₂/ZnO_x/Cu/NiCr/Si₃N₄等膜系的镀膜玻璃也有同样的缺点。由于现在的阳光控制镀膜玻璃具有耐酸碱和耐盐雾腐蚀性能不佳和表面保护层抗划伤性能差的缺点，所以一般的镀膜玻璃需要再加工成中空玻璃，膜层在中空腔侧，这样能提高玻璃的保温性能，同时对膜层起到保护作用。但我国南方地区的气候条件对玻璃门窗的保温性能要求不高，更主要是玻璃的遮阳效果，因此希望阳光控制镀膜玻璃能够单片使用，这样即达到节能效益，又能减少建筑成本。镀膜玻璃单片使用时膜层是直接暴露在大气环境中的，在使用过程会受到雨水、腐蚀性气体、洗涤剂等的腐蚀和外力的刮擦，这就要求单片使用的阳光控制玻璃具有良好的抗腐蚀和耐划伤性能。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种可单片使用阳光控制镀膜玻璃，主要目的是提供一种耐候性良好，可以单片使用，并且装饰效果俱佳的阳光控制镀膜玻璃。

为达到上述目的，本实用新型主要提供如下技术方案：

一方面，本实用新型实施例提供了一种可单片使用阳光控制镀膜玻璃，包括玻璃基板以及设于所述玻璃基板一侧面的膜层，所述膜层自玻璃基板向外依次为介质阻挡层、第一牺牲层、功能层、第二牺牲层、介质支撑层和顶层保护层。

作为优选，所述玻璃基板的厚度是3mm、5mm、6mm、8mm或12mm。

作为优选，所述介质阻挡层直接附着在玻璃基板的表面以阻挡玻璃基板中的碱金属离子扩散而侵蚀功能层；所述介质阻挡层的材质为Si₃N₄、SiO₂、TiO₂、ZrO₂或Al₂O₃中的一种或几种；所述介质阻挡层的厚度为20-200nm。

作为优选，所述介质阻挡层为Si₃N₄膜。

作为优选，所述第一牺牲层和第二牺牲层分别设于功能层的两侧以保护功能层，所述第一牺牲层和第二牺牲层通过较强的抗氧化和抗腐蚀性能保护功能层不受到侵蚀；所述第一牺牲层和第二牺牲层的材质为Nb、Nb基合金、Nb基合金的氮化物或者Ta；所述第一牺牲层和第二牺牲层的材质为NbZr、NbZrN_x、NbCr或NbN_x中的一种或几种；所述第一牺牲层和第二牺牲层的厚度为1-10nm。

作为优选，所述第一牺牲层和第二牺牲层的材质为NbZr，其中Zr原子百分含量为7％-15％；所述第一牺牲层和第二牺牲层的材质为NbCr，其中Cr的原子百分含量为5％-20％。

作为优选，所述功能层吸收和反射太阳光中780nm-2500nm波长范围的近红外辐射能；所述功能层的材质为NiCr、Cr、NiCrN_x或CrN_x中的一种或几种。

作为优选，所述功能层的厚度为1-18nm。

作为优选，所述介质支撑层阻挡外界的氧经扩散进入膜层内部，保护功能层和牺牲层不被氧化。所述介质支撑层的材质为Si₃N₄、SiO₂、TiO₂、ZrO₂或Al₂O₃中的一种或几种；所述介质支撑层的厚度为20-200nm。优选Si₃N₄。

作为优选，所述顶层保护层提高整个膜层耐久性，具有良好的硬度、耐磨性和耐酸碱腐蚀性能。所述顶层保护层的材质为ZrO₂、ZrYO_x或者ZrSiO_x中的一种或几种，所述顶层保护层的厚度范围为2-20nm。所述顶层保护层的材质优选ZrYO_x和ZrO₂。所述顶层保护层的材质为ZrYO_x时，Y的原子百分含量为6％-9％。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

本实用新型实施例提供的镀膜玻璃在功能层的两侧加入了抗酸碱和抗盐雾腐蚀性能优良的牺牲层，解决了现有技术中功能层不耐腐蚀的问题，提高了整个膜系的耐候性和使用耐久性。本实用新型实施例的镀膜玻璃具有更宽的颜色调节范围。采用ZrO₂或ZrYO_x或ZrSiO_x作为顶层保护膜，力学和耐腐蚀性能优于常规的Si₃N₄、TiO₂等膜层，而且水接触角达到90°，具有易清洁的特性。顶层保护膜的下方增加了支撑层，避免硬质保护膜与质地较软的功能层的直接接触，这样功能层、支撑介质层和顶层保护层可以形成硬度逐渐增强的梯度层，这种结构使得整个膜系的耐摩擦和抗挤压性能增强。本实用新型实施例的镀膜玻璃具有耐酸碱、耐盐雾腐蚀和抗高温氧化能力以及优异的抗划伤性能，通过调节膜层厚度可以改变玻璃面的反射颜色和太阳光透过率。本实用新型实施例的镀膜方法属于离线镀膜，提供了一种耐候性良好，可以单片使用，并且装饰效果俱佳的阳光控制镀膜玻璃。

附图说明

图1为本实用新型实施例的镀膜玻璃的层结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步详细描述，但不作为对本实用新型的限定。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。

实施例1

图1为本实用新型实施例的镀膜玻璃的层结构示意图。参照图1，本实施例的可单片使用阳光控制镀膜玻璃包括从玻璃基板1和在玻璃基板1一侧面上依次镀制的阳光控制膜层，本实施例中的膜层共6层，自玻璃基板1向外依次为介质阻挡层2、第一牺牲层3、功能层4、第二牺牲层5、介质支撑层6和顶层保护层7。本实施例中玻璃基板1为6mm厚普通浮法玻璃；介质阻挡层2为Si₃N₄膜层，厚度为42nm；第一牺牲层3为NbZr膜层，厚度为2nm；功能层4为NiCr膜层，厚度为6nm；第二牺牲层5为NbZr膜层，厚度为2nm；介质支撑层6为Si₃N₄膜层，厚度为170nm；顶层保护层7为ZrYO_X膜层，厚度为10nm。

在进行制备完整的阳光控制镀膜玻璃之前，先要了解1-7层材料的光学常数，采用美国J.A.Woollam公司生产的自动变角光谱型椭偏仪，经测量并拟合计算获得各层材料的光学常数，测试波长范围是300～2500nm，步长为5nm，入射角度为55°和65°。

在本实施例中先采用脉冲直流磁控溅射法和本实用新型中提供的工艺参数制备2-7层的单层膜，获得各个单层膜的光学常数。其中玻璃基板在波长300-2500nm范围内，折射率处于1.56-1.49之间，在波长300-455nm范围内消光系数处于7.77E-5-1.92E-7之间，在波长455-2500nm范围内消光系数处于1.92E-7-5.66E-6；Si₃N₄在波长300-2500nm范围内折射率处于2.18-1.96之间，在波长300-2500nm范围内消光系数为0；NbZr在波长300-2500nm范围内，折射率处于1.78-5.70之间，消光系数处于2.73-7.75之间；NiCr在波长300-2500nm范围内，折射率处于1.50-7.21之间，消光系数处于2.23-8.78之间；ZrYO₂在波长300-2500nm范围内折射率处于2.11-1.94之间，消光系数为0。

本实施例采用脉冲直流磁控溅射的方法，制备阳光控制镀膜玻璃步骤如下：

使用高纯水对玻璃基板1进行初步清洗，然后将洗干净的玻璃基板1干燥后送入进片室进行射频等离子体清洗，除去表面污染层和氧化层，增进基底表面活性。射频等离子体清洗具体如下：工作气体Ar(99.99％)流量为30sccm，射频电源功率200W，电阻真空规显示工作气压为3.4×10-2Torr，清洗时间600S。

将玻璃基板经由镀膜设备进片室传送进入溅射室，其中溅射室的本底真空优于2×10-6Torr。

在玻璃基板1上制备介质阻挡层2：采用脉冲直流磁控反应溅射法在玻璃基板上沉积Si₃N₄薄膜形成介质阻挡层2，使用的靶材是硅铝合金靶(含Al 10％wt)，工作气体为Ar和N₂，具体参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500W，工作气压为3mTorr，Ar流量30sccm，N₂流量30sccm，镀膜过程中不进行加热。

第一牺牲层3的制备：采用脉冲直流电源磁控溅射方法在上步得到的产品的介质阻挡层2的表面沉积NbZr膜形成第一牺牲层3，使用的靶材是铌锆合金靶(其中含Zr10％wt)，具体参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500W，工作气压为3mTorr，工作气体Ar(纯度99.99％)流量为30sccm，镀膜过程中不进行加热，得到的铌锆合金层的厚度为2nm，测得铌锆合金层中铌的原子百分含量为90％。

功能层4的制备：采用脉冲直流电源磁控溅射方法在上步得到的产品的第一牺牲层3上沉积NiCr膜形成功能层4，使用的靶材是镍铬合金靶(含Cr 20％wt)，具体参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500W，工作气压为3mTorr，工作气体Ar(纯度99.99％)流量为30sccm，镀膜过程中不进行加热。

第二牺牲层5的制备：采用脉冲直流电源磁控溅射方法在上步得到的产品的功能层4上沉积NbZr膜形成第二牺牲层5，使用的靶材是铌锆合金靶(含Zr 10％wt)，其具体参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500W，工作气压为3mTorr，工作气体Ar(纯度99.99％)流量为30sccm，镀膜过程中不进行加热。

介质支撑层6的制备：采用脉冲直流磁控反应溅射法在步骤6得到的产品的第二牺牲层5上沉积Si₃N₄薄膜形成介质支撑层6，使用的靶材是硅铝合金靶(含Al 10％wt)，工作气体为Ar和N₂，具体参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500W，工作气压为3mTorr，Ar流量30sccm，N₂流量30sccm，镀膜过程中不进行加热。

顶层保护层7的制备：采用脉冲直流磁控反应溅射法在上步得到的产品的介质支撑层6上沉积ZrYO_x薄膜形成顶层保护层7，使用的靶材是锆钇合金靶(含Y 8％wt)，工作气体为Ar和N₂，具体参数设置如下：脉冲直流电源溅射功率为1500W，工作气压为3mTorr，Ar流量30sccm，N₂流量30sccm，镀膜过程中不进行加热。

实施例2

根据单层膜的光学常数、薄膜干涉原理本实施例制备了与实施例1不同玻面反射颜色的镀膜玻璃。本实施例与实施例1不同仅在于，介质阻挡层2为Si₃N₄膜层，厚度为30nm；第一牺牲层3为NbZr膜层，厚度为2nm；功能层4为NiCr膜层，厚度为4nm；第二牺牲层5为NbZr膜层，厚度为2nm；介质支撑层6为Si₃N₄膜层，厚度为28nm；顶层保护层7为ZrYO_X膜层，厚度为13nm。

本实用新型实施例中玻璃基板1的厚度可以是任意厚度，如现有玻璃常见的规格3mm，5mm，6mm，8mm，12mm等；直接附着在玻璃基板1上的介质阻挡层2的作用是阻挡玻璃基板1中的碱金属离子扩散侵蚀功能层4，特别在热钢化的过程中，钢化温度高达630℃左右，玻璃中的离子在高温下会加速扩散造成对功能层4的侵蚀，此时介质阻挡层2尤为重要，介质阻挡层2的材质优选Si₃N₄，厚度范围在20nm-200nm。

第一牺牲层3和第二牺牲层5的作用是保护功能层4，本实用新型实施例的镀膜玻璃处在高温或者酸性、碱性以及盐雾等具有腐蚀性的环境中时，第一牺牲层3和第二牺牲层5优先于功能层4接触有害物质，第一牺牲层3和第二牺牲层5通过自身较强的抗氧化和抗腐蚀性能保护功能层4不受到侵蚀。实验证明：(1)根据实施例1的方法在玻璃基板1上分别沉积20nm厚的NbZr单层膜和NiCr单层膜放到1mol/L的盐酸溶液中48小时后，NbZr膜完好无损，NiCr膜被完全腐蚀掉，这证明NbZr薄膜具有很强的耐酸腐蚀性能；(2)把20nm厚的NbZr单层膜和Si₃N₄单层膜同时放入0.1mol/L的氢氧化钠溶液中煮沸2小时，NbZr膜依然完好，而Si₃N₄已结被完全腐蚀掉，证明NbZr膜层具有比Si₃N₄更好的耐碱腐蚀性能。(3)将20nm厚的NbZr和NiCr单层膜同时放入盐雾试验箱中进行盐雾实验，24小时后NbZr膜层表面完好，而NiCr表面出现了膜层被腐蚀后脱落的斑点，这证明NbZr薄膜具有良好的耐盐雾腐蚀性能，而NiCr膜的耐盐雾性能不佳。牺牲层可对功能层提供有效保护。单层纯Zr金属膜层的耐酸碱腐蚀实验证明，Zr具有良好的耐酸碱腐蚀性能，但抗高温氧化性能较差，消光系数较Nb低，而纯Nb金属膜具有良好的耐酸腐蚀性能和抗高温氧化性能，但耐碱腐蚀性能很差；因此本实用新型实施例优选将适量的Zr掺杂入Nb中以提高Nb的耐碱腐蚀性能，为避免掺入的Zr含量太多又会降低NbZr的消光系数和抗高温氧化性能，因此控制NbZr合金薄膜中Zr原子百分含量为7％-15％。在本实施例中NbZr材料的原子百分含量可约等于质量百分含量。第一牺牲层和第二牺牲层的抗高温氧化和抗腐蚀性能高于功能层，保护功能层不受到侵蚀。第一牺牲层3和第二牺牲层5的存在可以保护功能层4免于酸碱物质和盐雾的腐蚀，大大提高了本实用新型实施例的阳光控制镀膜玻璃使用的耐久性。

功能层4的作用是通过吸收和反射太阳光中780nm-2500nm波长范围的近红外辐射能来减少进入室内的热量，同时对380nm-780nm的可见光有一定的透过性，不影响室内的采光。功能层4的材质优选NiCr。

介质支撑层6的作用有两个：(1)阻挡外界的O经扩散进入膜层内部，保护功能层4和第一牺牲层3和第二牺牲层5不被氧化。(2)第一牺牲层3、第二牺牲层5和功能层4都是质地较软的金属层，如果在这些金属膜上直接沉积硬质薄膜，如Ti、Al、Si、Zr等金属的氧化物作为顶层保护膜层，则由于软硬膜之间热膨胀系数和晶格的不匹配易发生脱膜，而且顶层保护层在没有硬度适中的硬质膜支撑的情况下受外力碰撞或挤压容易发生“坍塌”，膜层更易受到破坏，所以为了使顶层保护层7更好的发挥作用，在顶层保护层7与第二牺牲层5之间加入介质支撑层6很有必要。支撑介质层6的材质优选Si₃N₄。

顶层保护层7是提高整个膜层耐久性的关键部分，作为第一道防线顶层保护层7除了具有良好的硬度和耐磨性外，还要具有优良的耐酸碱腐蚀性能。我们经过实验证明ZrO₂薄膜具有良好的耐磨性能和耐酸碱腐蚀性能，将最外表面分别镀有Si₃N₄和ZrO₂的阳光控制膜放在浓度为1mol/L的盐酸溶液中，侵泡24小时后，观察膜层外观均没有明显变化；将以上样品放入0.1mol/L的NaOH溶液中煮沸一小时，则可以观察到Si₃N₄膜层已经被完全腐蚀掉，而ZrO₂膜层完好。此外ZrO₂薄膜的水接触角在90°左右，膜层表面光滑粗糙度小，具有自洁净功能，不易沾染污渍，表面的灰尘和泥浆用水冲洗即可去除。可见ZrO₂具有更加优良的力学、耐腐蚀和自洁净性能，所以顶层保护层7的材质优选ZrYO_x和ZrO₂。

本实用新型实施例的镀膜玻璃的各层可以是单膜层结构也可以是多膜层结构，以第一牺牲层3为例，可以是单一的NbZr膜，也可以是NbZr膜+NbCr膜，或者是其他组合形式。介质支撑层可以是单一的Si₃N₄膜结构或者是Si₃N₄膜+TiO₂膜双模结构，或者是其他组合或3膜等形式。以此类推，在此不在赘述。

使用分光光度计U4100测试制备的阳光控制镀膜玻璃的玻面反射、膜面反射和透射光谱曲线，根据国标GB/T3977-2008计算得到Lab色度空间颜色值。实施例1的颜色值和光谱值见表1，实施例1的玻面反射颜色为蓝绿色，玻面反射率为15.8％。表2为实施例2的颜色值和光谱值，由实施例2的玻面反射颜色为灰色，玻面反射率为18.28％，较低的玻面反射率可以有效降低室外光污染。

表1

表2

将本实用新型实施例1中的样品与普通glass/Si₃N₄/NiCr/Si₃N₄结构的阳光控制镀膜玻璃进行对比摩擦磨损实验，磨球为直径4mm的氮化硅小球，载荷为20g，摩擦频率为100r/min。本实用新型实施例1的膜层1600s不破损，而普通Si₃N₄/NiCr/Si₃N₄结构的阳光控制玻璃仅能维持600s。

将本实用新型实施例1的镀膜玻璃与以Si₃N₄为顶层保护层的镀膜玻璃竖直放置，把用沙土配制的泥浆泼洒到样品表面，本实用新型实施例1的镀膜玻璃表面残留的泥沙量大大小于以Si₃N₄为顶层保护层的镀膜玻璃，这证明了本实用新型实施例的阳光控制镀膜玻璃具有较好的自洁净功能。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.可单片使用阳光控制镀膜玻璃，其特征在于，包括玻璃基板以及设于所述玻璃基板一侧面的膜层，所述膜层自玻璃基板向外依次为介质阻挡层、第一牺牲层、功能层、第二牺牲层、介质支撑层和顶层保护层。

2.根据权利要求1所述的可单片使用阳光控制镀膜玻璃，其特征在于，所述玻璃基板的厚度是3mm、5mm、6mm、8mm或12mm。

3.根据权利要求1所述的可单片使用阳光控制镀膜玻璃，其特征在于，所述介质阻挡层直接附着在玻璃基板的表面以阻挡玻璃基板中的碱金属离子扩散而侵蚀功能层；所述介质阻挡层的材质为Si₃N₄、SiO₂、TiO₂、ZrO₂或Al₂O₃；所述介质阻挡层的厚度为20-200nm。

4.根据权利要求1所述的可单片使用阳光控制镀膜玻璃，其特征在于，所述第一牺牲层和第二牺牲层分别设于功能层的两侧以保护功能层，所述第一牺牲层和第二牺牲层通过较强的抗氧化和抗腐蚀性能保护功能层不受到侵蚀；所述第一牺牲层和第二牺牲层的材质为Nb、Nb基合金、Nb基合金的氮化物或者Ta；所述第一牺牲层和第二牺牲层的厚度为1-10nm。

5.根据权利要求4所述的可单片使用阳光控制镀膜玻璃，其特征在于，所述第一牺牲层和第二牺牲层的材质为NbZr、NbZrN_x、NbCr或NbN_x。

6.根据权利要求1所述的可单片使用阳光控制镀膜玻璃，其特征在于，所述功能层吸收和反射太阳光中780nm-2500nm波长范围的近红外辐射能；所述功能层的材质为NiCr、Cr、NiCrN_x或CrN_x。

7.根据权利要求1所述的可单片使用阳光控制镀膜玻璃，其特征在于，所述功能层的厚度为1-18nm。

8.根据权利要求1所述的可单片使用阳光控制镀膜玻璃，其特征在于，所述介质支撑层阻挡外界的氧经扩散进入膜层内部，保护功能层和牺牲层不被氧化；所述介质支撑层的材质为Si₃N₄、SiO₂、TiO₂、ZrO₂或Al₂O₃；所述介质支撑层的厚度为20-200nm。

9.根据权利要求1所述的可单片使用阳光控制镀膜玻璃，其特征在于，所述顶层保护层提高整个膜层耐久性，具有良好的硬度、耐磨性和耐酸碱腐蚀性能；所述顶层保护层的材质为ZrO₂、ZrYO_x或者ZrSiO_x；所述顶层保护层的厚度为2-20nm。