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          智能玻璃在建筑門窗幕墻中的應用研究及發展概述

          時間: 2017/11/15 9:30:44 

          智能玻璃在建筑門窗幕墻中的應用研究及發展概述

          1。概述

          近年來,既美觀新穎,又能透光、擋風和阻擋灰塵的玻璃幕墻、玻璃屋頂、玻璃結構已成為現代主義高層建筑時代的顯著特征。但普通建筑玻璃不能自動調整自身性能以適應風、雨、光等環境變化,給我們

          帶來了諸多不便。當今世界能源危機、環境污染、全球變暖等問題日益嚴峻,人們在選擇建筑玻璃時,除了考慮其美學特性和外觀特征外,更注重其熱量控制、制冷成本和內部陽光投射的舒適平衡等問題。

          在新型建筑朝著智能化方向發展的趨勢下,能動態調節光照強度和室內溫度的“智能玻璃“智能窗”迅速成為各國研究的熱點。

          2。智能玻璃的定義及分類

          智能玻璃是由玻璃材料或透明塑料等基材和感應材料所組成的、能感知外部環境變化并能實時地改變自身性能的玻璃器件。在一定物理條件下,這種器件可以根據人們的意愿,穩定、可逆地改變自身的光學

          屬性(顏色、反射率、透過率、吸收率等),從而具有光吸收透過的可調節性,可選擇性地吸收或反射外界的熱輻射和內部的熱擴散。

          到目前為止,智能玻璃的制備方法可大致分為兩種:一是將感應材料制成膜狀復合到無機玻璃表面或是夾雜在兩層普通玻璃中間;二是利用感應材料對玻璃本體進行改性。相對而言,玻璃本體改性獲得的智

          能玻璃工藝復雜、成本高,文獻報道較少,公開報道的制備方法以第一種居多。智能玻璃的技術核心是感應材料的制備與選擇,現在研究較多的感應材料主要分為三大類:光致變色型、電致變色型和熱致調

          光型。

          一般而言,光致變色材料按材料類型可以分為有機(主要包括二芳基乙烯、偶氮類以及相關的雜環化合物)和無機(主要為鹵化銀體系)兩大類。雖然人類發現光致變色現象己有一百多年的歷史,但由于無

          機光致變色玻璃成本較高、加工技術復雜,有機光致變色玻璃不耐高溫、容易疲勞、戶外耐候性差,而且這兩大類材料大多數對環境不友好,限制了其在建筑領域的商業應用。電致變色材料也可分為無機材料和有機材料兩大類。無機電致變色材料主要為過渡金屬氧化物,如W03, Nb205, Ta2O5V205等;有機電致變色材料主要包括有機雜環化合物、導電聚合物類、金屬有機聚合物類和金屬酞花蓄類,如紫羅精、毗哇琳及聚苯胺等。這兩大類材料各有優缺點,很多文章都進行了介紹,此處不再贅述。隨著納米技術的發展,具有獨特分子結構和表觀協同效應的聚合物/過渡金屬氧化物等納米復合材料也開始成為電致變色材料領域研究的一個熱點。熱致調光材料按材料的性質也可分為無機類(如釩的氧化物)和有機類(如水凝膠、液晶材料

          、聚合物共混物、高分子想變材料等),根據其光學性能隨溫度的變化又可分為熱致散射、熱致色變以及雙功能三種類型。不過,要使其在建筑節能中獲得大范圍應用,熱致變色玻璃材料的相變溫度要在室

          溫附近(30℃左右),而且在相變過程中無體積改變,因而可供選擇的材料并不多,目前研究的熱點主要集中在相分離型熱致散射聚合物和摻雜態V02薄膜。

          3。智能玻璃應用研究新進展

          智能玻璃應用于建筑領域,可最大限度地利用自然資源實現建筑節能,降低運營成本,同時也起到改善辦公環境、防窺的目的。電致變色智能玻璃實際_相當于帶有可調節窗簾的玻璃,可用于需要保密或隱私防護的建筑場所。愛莎尼亞塔爾圖大學的科研人員將納米凝膠涂層噴射到通透明玻璃上形成一個5~ 10um厚的涂層,在電場的作用下,涂層的光學屬性會發生變化,這種智能玻璃經電源開關控制就可以在“瞬間”完成“透明玻璃”與“毛玻璃”的變換,由其制成的智能窗相當于有電控裝置的窗簾一樣方便自如。

          目前,世界各國都十分重視建筑節能,根據環境變化自動對室內溫度進行智能化調節的熱致調光薄膜已成為材料科學中活躍的研究領域之一,受到研究者的高度重視。太陽輻射能量的大多數都集中在紅外波段,而VO268℃附近發生低溫態半導體單斜晶相與高溫態金屬四方晶相轉變時正好對紅外波段的光透過率和反射率存在突變,而且變化可逆。近些年來,英國IvanP。Parkin教授等人在V02薄膜中摻雜少量的鎢元素使其發生相變的臨界溫度降低到室溫附近,將這種自適應溫控智能材料涂覆于門窗幕墻玻璃表面,形成可以自動調節溫度的智能玻璃,具有良好的節能效果。德國科研人員通過在兩層普通玻璃中夾雜一層具有結構相變特征的聚合物微膠囊樹脂膜,進而研制出了具有自我調控能力的智能防曬玻璃。當溫度達到一定值時,這種三明治結構的玻璃即從透明變為模糊,將3050%的太陽熱量隔離在外,而且射入的散射狀光線仍足夠使房間保持明亮;當溫度下降后,熱值層便恢復至原狀,窗戶玻璃又變得清撤透明。

          隨著科技的發展,巧妙結合光伏太陽能技術和電致變色技術或熱致調光技術優點的自供能變色智能窗、智能發電窗也開始被研究開發。徐春葉課題組利用染料敏化太陽能電池和電致變色窗技術有機結合開發了一種新的自供能變色玻璃,這種玻璃可以吸收照射到其他表面的太陽光并轉化成電能,在利用這部分電能是其自己變色,從而達到調節光線強弱以及美化環境的目的。高彥峰等人通過對V02材料進行改性制備出了臨界相變溫度處于低溫區的大尺寸V02薄膜,并在此基礎上設計了能根據環境溫度不同而自行調節熱傳遞的透明智能窗戶,再通過在其上安裝太陽能電池升級為智能發電窗,這種智能發電窗相變特性穩定性良好,將有助建筑物降低采暖、照明和降溫等所需的能源成本。

          與此同時,兼有空調和窗簾雙重作用的新型玻璃也開始被開發應用。美國勞倫斯伯克利國家實驗室Anna等人利用氧化錮錮錫納米晶體和嵌入在玻璃基質中的氧化妮制得了一種易對可見光和產生熱量的近紅外光進行獨立控制的新型“智能窗”,通過調控電壓改變納米品體的結構來阻擋特定的波長,這種智能玻璃的光學屬性可在3種狀態間進行切換:完全透明模式、有選擇性的封鎖近紅外光(熱)模式和同時阻止可見光和熱進入建筑物的黑暗模式,通過動態控制通過玻璃窗戶的可見光和熱量,做到明暗可控、冷熱可調,即可提升建筑的居住舒適度,也可節約對能源的消耗。市面上現有的智能窗戶產品往往價格昂貴、響應時間較慢、制備工藝復雜而且質量較差,需要研究新型智能窗戶系統來克服這些問題。最近,韓國研究人員發現聚合物、離子膜以及甲醇溶劑結合起來可以生產出便宜、穩定且功能強大的智能玻璃。當光照強烈、天氣炎熱時,玻璃會自動變暗,完全不透明;而當陽光不足、天氣較冷時,玻璃又可以在幾秒內切換到完全透光的狀態,從而使更多的陽光照射到屋內,利用太陽能給房屋供暖。通過管理照射到房屋內部陽光的多少,這種新型的光控制系統提供了一個節省取暖、制冷和照明費用的新選擇。

          4。產業發展現狀及趨勢

          為適應日益發展的建筑節能的需求,近年來美國、日本、歐洲等發達國家投入大量人力和財力,積極開發智能玻璃技術,在許多領域陸續有產品實現了商品化,在全固態大面積電致變色玻璃領域更是己基本

          實現了產業化。我國在智能玻璃方面的研究則相對薄弱,近年來雖然一些大學和研究所在智能玻璃材料及器件制作方面做了很多研究工作,但鮮有產業化的報道,還須踏踏實實做好穩定性研究、商品化課題、新體系新品種的變色材料的深入開發等方面的工作。

          由于智能玻璃的研制涉及物理、材料、化學、薄膜科學等多科學知識,理論研究和實踐尚不是很成熟,其推廣應用還需要進一步的理論和實驗研究。

          目前,智能玻璃的發展趨勢沿著全固態、大面積、智能化、多功能、低成本、節能環保幾個方向進行。

          1)現在所用的薄膜材料多為重金屬或有毒有機物,種類偏少,不僅昂貴而且環境危害很大,隨著世界各國對環境保護的重視以及人們環保意識的增強,發展長壽命、低成本、良好的環境親和性的新型高性能智能材料己是大勢所趨。

          2)通過摻雜法、插層復合法、溶膠一凝膠法和LB膜法等各種方法備性能優異色彩多樣的新型智能玻璃,充分發揮有機高分子聚合物和金屬氧化物的不同優勢。

          3)將太陽能電池技術與智能玻璃技術相結合,開發具有采光、調光、光催化、聚光、蓄光、光電轉換、熱電轉換等各種功能特性的新型智能窗,提高其控溫過程的智能化水平,在調節光線的同時也在調節著

          室內溫度,節約電能并減少設備使用。

          4)采用先進的生產組裝工藝,以適應大面積、低成本工業生產的需要?梢灶A見,隨著人們對戶外建筑的實用性和觀賞可以預見,隨著人們對戶外建筑的實用性和觀賞性的要求越來越高,智能玻璃所具有的諸多功能特性將使其在太陽能的有效利用、減少溫室效應,節約能源、改善人居環境等方面起到舉足輕重的作用,在建筑門窗幕墻應用方面前景廣闊。

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