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低輻射玻璃

低輻射玻璃就是在玻璃表面形成一層低輻射薄膜。這層薄膜對(duì)可見光有較高的透過率，一般超過50%，而對(duì)室溫下黑體輻射峰值波長10 ?m附近的遠(yuǎn)紅外線有很低的輻射系數(shù)，或稱發(fā)射系數(shù)、發(fā)射率等。這樣就可以保證室內(nèi)熱量不會(huì)通過輻射傳遞的室外，也可在夏季阻止室外高溫通過輻射傳遞到室內(nèi)。配合以中空、真空玻璃和隔熱窗框，可以達(dá)到節(jié)能效果。幾乎所有的透明導(dǎo)電膜都是低輻射膜，如常用的ITO（氧化銦錫）、AZO（摻鋁氧化鋅）、SnO2等。在可見光波段，光吸收非常小的Ag膜也可以構(gòu)成低輻射膜，但需要在前后表面增加介質(zhì)膜，抵消光反射。按工藝技術(shù)，低輻射玻璃又分為離線鍍膜和在線鍍膜兩類。在線鍍膜指的是在浮法玻璃生產(chǎn)線的末端，增加一個(gè)CVD室，利用玻璃的高溫使得氣體分解形成一層氧化錫透明導(dǎo)電薄膜。氧化錫的輻射系數(shù)大約為0.2左右，遠(yuǎn)低于普通白玻璃的0.87。在線鍍膜低輻射玻璃由于輻射系數(shù)高、透過率低、反射和透過光顏色調(diào)整范圍小等因素，只能用在要求低的場合。其優(yōu)點(diǎn)是抗氧化能力超強(qiáng)，而且耐磨性能好，可單層應(yīng)用，國內(nèi)在線鍍膜低輻射玻璃生產(chǎn)線有數(shù)十條。離線鍍膜低輻射玻璃指的是采用磁控濺射方法，在玻璃表面形成一層低輻射金屬膜和相應(yīng)的保護(hù)介質(zhì)膜。這種低輻射玻璃的輻射系數(shù)低，可見光透過率高，顏色可以隨意調(diào)整，因此得到廣泛應(yīng)用。離線鍍膜低輻射玻璃的基本結(jié)構(gòu) 常溫下，黑體輻射的中心波長約10?m。在這個(gè)波長下，絕大部分金屬的輻射系數(shù)都是非常低的，如Ag/Cu/Au/Al/Mo/W/Ta/Nb/Zr/Ni/Fe，都可以用到太陽能集熱管中的低輻射層。能用于玻璃中的卻只有Ag，因?yàn)橹挥蠥g有很小的可見光吸收率。降低輻射系數(shù)的簡單方法是增加銀層厚度，但簡單的增大銀層厚度會(huì)導(dǎo)致可見光反射率大幅度增加。離線雙銀低輻射玻璃的結(jié)構(gòu) 中間介質(zhì)層較厚，兩側(cè)較薄，這就構(gòu)成了雙銀低輻射玻璃。再增加一層銀，還可以構(gòu)成三銀低輻射玻璃。由于銀的折射率實(shí)部不是零，銀層是有吸收的，銀層雙銀和三銀低輻射玻璃的輻射系數(shù)雖低，但光的透過率卻大幅度降低。離線單銀軟膜結(jié)構(gòu) 最早的低輻射玻璃結(jié)構(gòu)，以氧化鋅為介質(zhì)層，其最大特點(diǎn)是，沉積速率快。因?yàn)檎凵渎瘦^低，可見光透過譜窄，一般采用雙銀結(jié)構(gòu)來擴(kuò)大譜寬。抗氧化能力低，須要24小時(shí)內(nèi)封成中空結(jié)構(gòu)。離線單銀硬膜結(jié)構(gòu) 第二代低輻射玻璃，特點(diǎn)是，采用等離子噴涂導(dǎo)電低價(jià)氧化物靶，靶材成本高。折射率高，可見光透過譜寬，單銀就可以滿足要求。采用雙銀或三銀結(jié)構(gòu)的效果更好，但透過率低得多，不適合民居。抗氧化能力較低低，也須要24小時(shí)內(nèi)封成中空結(jié)構(gòu)，基本不能鋼化。為了防止在上層氧化鈦沉積中銀層氧化，需增加一層約3nm的金屬層，可用Cr或Ni等。該金屬層使得輻射系數(shù)和透光率指標(biāo)大幅度降低。可異地加工和鋼化的硬膜結(jié)構(gòu) 較晚出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，采用SiAl靶反應(yīng)濺射沉積，沉積速率與低價(jià)氧化鈦靶相近。因?yàn)槭欠蔷ЫY(jié)構(gòu)，抗氧化能力強(qiáng)，可以異地封接和鋼化處理，也可非中空應(yīng)用。高硅硅鋁靶需要等離子體噴涂制備，成本高。透光譜性能和損耗相互矛盾，總體光學(xué)性能比氧化鈦結(jié)構(gòu)差。鋁和硅都不能與氮?dú)庵苯臃磻?yīng)，氮?dú)獗浑娮优鲎埠笮纬稍拥膳c鋁或硅反應(yīng)，這就要求氣氛中氮含量很高，結(jié)果氮?dú)怆婋x比例較高，使得靶表面氮化，導(dǎo)致濺射速率大幅度降低，需要增加靶數(shù)，導(dǎo)致設(shè)備成本提高，電源功率提高。可異地加工和鋼化的另一種結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)：最外面增加一層抗氧化的SiAlO，10納米就足夠了。金屬靶反應(yīng)濺射采用純金屬靶進(jìn)行反應(yīng)磁控濺射是降低成本的最有效方法。在已知的常用金屬中，鋅族、釩族中的鉭、鈦?zhàn)逯械你x、鉻族、錳族、鐵族進(jìn)行磁控反應(yīng)濺射時(shí)，具有可以接受的速度，但其中只有氧化鉭和氧化鋅具有較好的耐壓和介電特性。氧化鉭的濺射產(chǎn)額可達(dá)到0.2，是可以接受免得。而具有很好絕緣和介電特性的氧化硅、氧化鋁、氧化鎂，氧化鋯以及具有最大介電常數(shù)和折射率的氧化鈦都難以用磁控反應(yīng)濺射沉積。氮化硅產(chǎn)額可以達(dá)到0.12，尚可接受，但氧化硅只有0.03，約為硅的二十分之一。氧化鈦和氧化鋁都小于0.015，不到金屬鋁的百分之一，氧化鎂更是小于0.005，不到鎂的千分之一。各種材料的濺射產(chǎn)額材料產(chǎn)額Ti0.6 (600V)TiO20.01 (300V)AI1.25 (600V)Al2O30.01 (300V)Si0.5 (600V)SiO20.03 (300V)Si3N40.12 (300V) 濺射沉積時(shí)，單質(zhì)靶電壓較高，而氧化物和氮化物靶電壓較低，電壓基本按實(shí)際情況列出。濺射過程靶材為低價(jià)氧化鈦，因此濺射氣氛中需要的氧氣含量低得多，靶表面濺射面積遠(yuǎn)小于襯底面積，因此一般不繼續(xù)氧化，被濺射粒子以原子或分子形式飛向襯底，氧氣分子可以向靶和襯底入射，將到達(dá)襯底的粒子充分氧化。硅鋁靶濺射中，正氮離子飛向靶面，將靶面氮化。被濺射粒子大部分以分子或原子形式飛向襯底。被濺射出的硅原子不能在空中與氮結(jié)合，大部分到達(dá)襯底后再與氮原子結(jié)合。由于硅和鋁不能與氮分子反應(yīng)，因此靶面必須完全氮化才能得到純氮化物薄膜，導(dǎo)致濺射速率變慢。硅鋁靶的另一個(gè)問題是高硅硅鋁靶需要等離子噴涂方法制備，靶材成本遠(yuǎn)高于金屬靶。拉制成型的合金靶材中，硅含量難以超過60%。高鋁組分的硅鋁靶濺射非常慢，而且折射率低，不能用于低輻射玻璃的制備。解決低硅含量硅鋁靶的濺射沉積問題是一個(gè)大的挑戰(zhàn)。靶材為純鈦，被濺射粒子大部分已原子形式飛向襯底，氧氣分子可以向靶和襯底入射，分別將靶面和到達(dá)襯底的粒子氧化。金屬表面形成的氧化鈦極難濺射，導(dǎo)致沉積速率極慢。低輻射玻璃面臨的難題到目前為止，低輻射玻璃，尤其是高檔低輻射玻璃主要用于賓館、寫字樓、醫(yī)院中。這類建筑中，單窗面積較大，窗框所占面積比例小，低輻射玻璃效果明顯。此類建筑所需的玻璃呈現(xiàn)逐年縮減的趨勢。擴(kuò)大民居領(lǐng)域的應(yīng)用，才是正路。民居的特點(diǎn)是單窗面積小，一般不會(huì)超過1平米，一般0.5平米。這種窗中，低輻射玻璃的節(jié)能效果并不明顯，只有大幅度降低價(jià)格，才能與效果匹配。世界性難題大面積襯底上，氧化鎂、氧化鋁、氧化鈦等材料的金屬靶反應(yīng)磁控濺射被認(rèn)為是一個(gè)解決不了的世界性難題，早已經(jīng)沒人嘗試解決，轉(zhuǎn)而尋求一些替代方法，如前面所述。第一個(gè)解決該問題的人是我們，可追朔的上世紀(jì)80年代，但結(jié)果一直沒有發(fā)表。首先發(fā)表此類結(jié)果的是皇明公司，他們解決了在高溫集熱管表面沉積氧化鋁減反層問題，而且速度非常高。解決此問題的是一個(gè)剛出校門不久的女孩兒，初生牛犢不怕虎，硬試出來的。最初是嘗試用鋁靶反應(yīng)濺射沉積氮化鋁，從原理上講，這是不可能的。氮化鋁不行，就用氧化鋁試試，結(jié)果就成功了。雖然減反射效果不如氮化鋁，但可以用。集熱管太陽能吸收膜沉積中，靶基距非常大，這是其成功的基本條件。由于不懂得其中的道理，僅限于在太陽能集熱管這一特殊條件下應(yīng)用，而不能推廣到其它領(lǐng)域。圓柱形金屬靶反應(yīng)濺射的優(yōu)勢如果能實(shí)現(xiàn)鈦、鋯、鋁、硅等薄膜的金屬圓柱靶反應(yīng)磁控濺射，對(duì)薄膜產(chǎn)業(yè)的影響是革命性的，帶來的好處包括：（1）圓柱靶適合大面積襯底上薄膜沉積，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。（2）采用金屬靶的成本遠(yuǎn)低于導(dǎo)電介質(zhì)靶，構(gòu)成降低成本的次要因素。（3）可實(shí)現(xiàn)高速濺射沉積，設(shè)備規(guī)模減小，大幅度降低設(shè)備成本，是降低成本的首要因素。（4）大幅度降低用電量，構(gòu)成降低成本的次要因素。

清華大學(xué) 2021-04-13

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