專利名稱：無白光污染的幕墻玻璃的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無白光污染的幕墻玻璃。
無白光污染幕墻玻璃是指幕墻玻璃對(duì)于可見光區(qū)域的反射率少于玻璃基底的反射率(如少于以冕牌玻璃為幕墻玻璃基底，其單面的反射率為4.2％)，而紅外光區(qū)域具有很大的反射率。主要用于建筑物。
已有技術(shù)中，建筑用的鍍膜玻璃產(chǎn)品一般分為兩大類防陽(yáng)光型和高透射率/低輻射率鍍膜玻璃。
防陽(yáng)光型玻璃通常是以玻璃為基底(常常帶色)，鍍有一種低可見光透射率的帶色薄膜，這種薄膜減少了透過防陽(yáng)光型玻璃進(jìn)入建筑物內(nèi)部的太陽(yáng)光能，從而降低了建筑物內(nèi)的溫度，在夏季高溫季節(jié)內(nèi)節(jié)約了空調(diào)費(fèi)用。這些防陽(yáng)光型玻璃產(chǎn)品在溫暖的氣候是最為有效，最常見的為商業(yè)建筑物上所使用。
在更為關(guān)心加熱費(fèi)用的地方尤其是住宅，需要高透射率/低輻射率的鍍膜玻璃，使可見光以高的透射率進(jìn)入室內(nèi)，同時(shí)反射紅外線輻射，從而保持建筑物內(nèi)的熱量。高透射率/低輻射率的鍍膜玻璃，在玻璃基底上所復(fù)蓋的膜層通常是多層膜，其中有一層是反射紅外線的金屬膜(例如，Ag，Au，或Cu膜)夾在兩個(gè)防可見光反射的金屬氧化物膜層之間。
防陽(yáng)光型玻璃所鍍的膜層一般是諸如鈷、鐵、鈦、鉻、鎳、銅等一種或多種金屬或金屬氧化物的單層膜。
制備防陽(yáng)光型玻璃的金屬膜采用化學(xué)方法如美國(guó)專利US3846152，US4091172，US3723158和US3457138，制備防陽(yáng)光型玻璃的金屬氧化物膜采用熱解法如美國(guó)專利US3660061，US3658568，US3978272和US4100330所報(bào)導(dǎo)。
美國(guó)專利US4462884和US4508789中描敘了制造高透射率/低輻射率的多層薄膜的濺射技術(shù)。在美國(guó)專利US4512863與US4594137中也披露了制造防陽(yáng)光型玻璃采用的鍍膜是用濺射技術(shù)。
美國(guó)PPG工業(yè)公司在中國(guó)申請(qǐng)的專利CN 85109342A，公開了一種金屬合金氧化物的濺射薄膜，其中采用Zn和Sn合金的氧化物作為抗-反射性金屬氧化物與透明金屬薄膜結(jié)合的建筑材料。這種金屬氧化物薄膜必須具有適當(dāng)高的折射率，其折射率最好大于2.0以降低金屬層的反射和加強(qiáng)涂層的透光性。但是采用Zn和Sn的合金氧化物作為抗-反射性金屬氧化物薄膜，是相對(duì)于紅外線反射金屬膜的抗反射，而不是相對(duì)玻璃基底的抗反射，因此不能消除玻璃基底對(duì)可見光的反射。
美國(guó)PPG工業(yè)公司在中國(guó)申請(qǐng)的專利CN88101654A，公開了一種用氮氧化鈦與一紅外線反射膜(如Ag)組合沉積形成一種低輻射的多層薄膜，氮氧化鈦薄膜可以以各種不同的厚度和結(jié)構(gòu)與其它金屬膜一起使用，從而形成范圍很寬的一系列反射色玻璃。它是利用未鍍膜表面的反射，使這種建筑材料帶有顏色，這里所述的未鍍膜基底表面最低的反射率為5％。
美國(guó)PPG工業(yè)公司在中國(guó)申請(qǐng)的專利CN86108656，公開了一種多層高透光率、低發(fā)射率薄膜，是一種以Zn2SnO4為抗反射金屬氧化物，以氧化鈦外層涂層的存在改善了其耐化學(xué)腐蝕性能。其結(jié)構(gòu)是第一層為第一透明抗反射金屬氧化物薄膜Zn2SnO4，第二層為透明紅外反射金屬銀膜，第三層為透明抗反射金屬氧化物薄膜Zn2SnO4，第四層是在第三層抗反射金屬氧化物薄膜之后沉積的金屬氧化物氧化鈦，由于氧化鈦薄膜的折射率大于2.0，它大于玻璃基底的折射率，所以它不能使薄膜在可見光區(qū)的反射率低到少于玻璃基底的反射率。采用這種方法得到的產(chǎn)品，從玻璃的鍍膜一側(cè)光的反射率為5％，未鍍膜一側(cè)的反射率為6％，所以它并沒有徹底消除可見光的反射。
美國(guó)PPG工業(yè)公司在中國(guó)申請(qǐng)的專利CN87105971A，公開了一種多層透明度高/低輻射涂層制品，它可以加溫加工，如彎曲，退火，層壓，玻璃焊接等，涂層作為耐高溫涂層用于可加熱的防凍、除霜、除霧透明物，此發(fā)明中采用兩層抗反射金屬氧化物。也是相對(duì)于紅外線反射金屬膜的抗反射，并沒有相對(duì)玻璃基底的抗反射。因此也沒有消除可見光的反射。
美國(guó)PPG工業(yè)公司在中國(guó)申請(qǐng)的專利CN1105712A，公開了一種方法和由該方法制得的產(chǎn)品，特別是用磁控濺射制備耐久的金屬氧化物薄膜的技術(shù)，此發(fā)明涉及一種在足夠惰性的氣氛下濺射金屬靶的方法，使得濺射是以金屬方式進(jìn)行的，并且沉積的薄膜基本上是金屬狀態(tài)，然而，在氣體中還加入足夠的活性氣體，使得金屬薄膜呈非晶態(tài)而不是晶態(tài)。非晶態(tài)的濺射金屬薄膜，比在只有惰性氣體組份的氣體中，濺射的金屬薄膜硬度高并且耐久性好，非晶態(tài)的濺射金屬薄膜比在只有由惰性氣體中沉積的金屬薄膜可以更有效的進(jìn)行熱氧化，結(jié)果獲得一種晶態(tài)金屬氧化物薄膜，這樣的金屬氧化物薄膜比在氧化氣氛中濺射金屬沉積的非晶態(tài)金屬氧化物薄膜具有更高的化學(xué)穩(wěn)定性。其目的是為了得到高的硬度和好的耐久性產(chǎn)品，這樣的產(chǎn)品可以在很大范圍內(nèi)制成不同厚度以獲得由于干涉作用引起的很大范圍內(nèi)所要求的反射顏色，說明它具有較大的反射。
美國(guó)PPG工業(yè)公司在中國(guó)申請(qǐng)的專利CN1037550A，公開了一種視覺上為中性的高透射率、低散射率涂層制品和制作方法，在此發(fā)明中包括三種薄膜結(jié)構(gòu)，其中有一結(jié)構(gòu)為第一層是折射率約為2.0的透明抗反射金屬氧化物，第二層是折射率大于2.0的透明中性金屬氧化物，第三層是反紅外光的金屬膜，第四層是透明的中性金屬鈦，第五層為透明抗反射金屬氧化物薄膜，其中還包括二氧化鈦保護(hù)層。這種結(jié)構(gòu)中的第一層透明薄膜的折射率約為2.0，第二層薄膜的折射率大于2.0，例如二氧化鈦，這是為了改進(jìn)金屬和金屬氧化物之間粘結(jié)性，改善金屬合金氧化物薄膜的耐久性，尤其是改善由金屬合金氧化物和金屬(如銀)組成的多層薄膜的耐久性。但是它不能使薄膜在可見光區(qū)的反射率少于玻璃基底的反射率。此發(fā)明中采用兩層抗反射金屬氧化物。也是相對(duì)于紅外線反射金屬膜的抗反射，并沒有相對(duì)玻璃基底的抗反射。在此發(fā)明中，在涂層一側(cè)的可見光反射率為5％，未涂層一側(cè)的可見光反射率為6％，說明它的反射沒有低于一般玻璃基底的反射率(4.2％)，沒有消除可見光的反射。
如上所述，高透光度，低輻射性的涂層，通常由反射紅外光且低輻射的薄金屬層夾在用以減少可見光反射的金屬氧化物的不導(dǎo)電層中所組成。這些多層膜的典型的生產(chǎn)方法是陰極濺射，金屬層可以是金或銅，通常是銀，金屬氧化物層包括氧化錫、氧化鈦、氧化鋅、氧化銦、氧化鉍、氧化鋁或氧化鋯。
以上的各種技術(shù)中所獲得的薄膜制品，凡是采用減少可見光反射的金屬氧化物的，都是減少透明金屬層的反射，而沒能減少玻璃基底的反射。當(dāng)用于建筑物上時(shí)在陽(yáng)光下是具有強(qiáng)烈的眩光。這種白光污染已經(jīng)給現(xiàn)代化城市帶來了新的公害，而且給飛機(jī)的航行，汽車的駕駛帶來了困難，并使天文臺(tái)不得不遷離城市。
本發(fā)明的目的為克服上述幾種不足之處，盡量消除可見光的反射，而對(duì)紅外光有較高的反射，從而達(dá)到將本發(fā)明的產(chǎn)品用做玻璃幕墻時(shí)無可見光的反射即無白光污染。
本發(fā)明利用透明金屬銀膜或者介質(zhì)材料氮化鈦和透明介質(zhì)薄膜兩者進(jìn)行匹配，調(diào)節(jié)各層薄膜的厚度，使薄膜在紅外光區(qū)域具有高反射率，而在可見光區(qū)域反射率達(dá)到極低的限度，達(dá)到小于未鍍膜玻璃的反射率即含有薄膜的幕墻玻璃對(duì)可見光的反射率小于基底玻璃的反射率，以消除白光污染。
本發(fā)明的無白光污染的幕墻玻璃是采用在玻璃的基底1上沉積薄膜2的結(jié)構(gòu)，圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。玻璃基底可以是無色也可以是彩色。
薄膜的膜系設(shè)計(jì)要滿足兩個(gè)條件一是在可見光區(qū)域具有低的反射率。
二是在紅外光區(qū)具有高的反射率。
為滿足上述兩個(gè)條件通過對(duì)薄膜的膜系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，調(diào)節(jié)膜系中各層膜的厚度使可見光區(qū)域具有低的反射率，而在紅外光區(qū)具有高的反射率。
本發(fā)明的膜層結(jié)構(gòu)順序?yàn)橛刹ＡЩ?開始，沉積在玻璃基底1表面上的第一層薄膜21是由折射率大于2.0的金屬氧化物，如TiO2構(gòu)成。第二層薄膜22是沉積在第一層薄膜21上，是折射率小于玻璃基底1的折射率(1.5)的氧化硅膜，如SiO2(折射率為1.46)。第三層薄膜23是沉積在第二層薄膜22上，由對(duì)紅外光具有高反射率的材料構(gòu)成，即反射率大于70％，如金屬Ag或TiN。第四層薄膜24是沉積在第三層薄膜23上，由折射率大于2.0的金屬氧化物構(gòu)成，如TiO2。第五層薄膜25是沉積在第四層薄膜24上，由折射率小于玻璃基底的折射率(1.5)的材料構(gòu)成，如SiO2。如圖1所示。
膜層結(jié)構(gòu)中有第一層折射率大于2.0的材料如TiO2所構(gòu)成的薄膜，以降低第三層對(duì)紅外光具有較高反射率的膜層在可見光區(qū)的反射。第二層折射率小于玻璃基底的折射率1.5的材料如SiO2所構(gòu)成的薄膜，以降低玻璃基底的反射。第三層的目的是達(dá)到由對(duì)紅外光具有高反射率即采用反射率大于70％，如金屬Ag或TiN所構(gòu)成。第四層與第一層相同。第五與第二層相同。結(jié)構(gòu)中關(guān)健是將各膜層之間進(jìn)行匹配，相互交替疊加而使整體薄膜在可見光區(qū)具有減反射特性，在紅外光區(qū)具有高反射特性。
表示膜系結(jié)構(gòu)特征主要參數(shù)包括膜層厚度d，膜層數(shù)m，膜層材料，反射率R和透射率T，它們應(yīng)滿足以下公式。
將基底和所有膜層的折射率用復(fù)數(shù)形式表示，相位厚度δ=2πλ(n-ik)d=2πλnd-i2πλkd----(1)]]>d為膜層的厚度，n為膜層的折射率令δ1=2πλnd,]]>δ2=2πλkd----(2)]]>δ1，δ2都是實(shí)數(shù)，所以δ＝δ1-iδ2cosδ＝cosδ1.chδ2+isinδ1.shδ2.令c1＝cosδ1.chδ2，c2＝sinδ1.shδ2因而cosδ＝c1+ic2同樣sinδ＝sinδ1.chδ2-icosδ1.shδ2令s1＝sinδ1.chδ2，s2＝-cosδ1.shδ2所以s1+is2.遞推公式Y(jié)j=Yj+1cosδj+iηjsinδjcosδj+iYj+1/ηjsinδj----(3)]]>相應(yīng)可寫成Yj=(yj+1(1)c1-yj+1(2)c2+kis1-njs2)+i(yj+12c1+yj+2(1)c2+njs1+kjs2)c1+ic2-[yj+1(2)s1+yj+1(1)s2+i(yj+1(2)s2-yj+1(1)s1)]/(nj-ikj)]]>令b1=yj+1(2)s1+yj+1(1)s2,]]>b2=yj+1(2)s2-yj+1(2)s1]]>q1=njb1-kjb2nj2+kj2,]]>q2=kjb1+njb2nj2+kj2]]>所以Yj=(yj+1(1)c1-yj+1(2)c2+kjs1-njs2)+i(yj+1(2)c1+yj+1(1)c2+njs1+kjs2)(c1-q1)+i(c2-q2)----(4)]]>令a1=yj+1(1)c1-yj+1(2)c2+kjs1-njs2,]]>a2=yj+1(2)c1+yj+1(1)c2+njs1+kjs2.]]>a3＝c1-q1，a4＝c2-q2得Yj=yj(1)+iyj(2),]]>這里yj(1)=a1a3+a2a4a32+a42,]]>yj(2)=a2a3-a1a4a32+a42.]]>膜層相鄰兩界面上的能流密度之比ψ1為ψj=yj+1(1)/[yj(1)|cosδj+iYj+1sinδj/Nj|2]----(5)]]>相應(yīng)地可以寫成ψj=yj+1(1)/[yj(1)(a32+a42)].]]>這樣，從基底開始遞推到頂層，最后得到整個(gè)膜系的組合導(dǎo)納Y1=y1(1)+iy1(2).]]>振幅反射系數(shù)為r=(N0-y1(1))2-iy1(2)(N0+y1(1))2+iy1(2)----(6)]]>反射率R=(N0-y1(1))2+(y1(2))2(N0+y1(1))2+(y1(2))2----(7)]]>整個(gè)膜系的透射率為T=(1-R)Πj=1mψj----(8)]]>(8)式中m是膜層的層數(shù)薄膜在制備過程中，要通過對(duì)薄膜厚度d的控制，達(dá)到符合膜系的設(shè)計(jì)。在薄膜的沉積過程中，要根據(jù)不同材料而選擇不同的沉積條件。薄膜2的結(jié)構(gòu)有多種。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的幕墻玻璃，能夠在紅外光區(qū)域具有高反射率，而在可見光區(qū)域反射率達(dá)到極低的限度，達(dá)到小于未鍍膜玻璃的反射率即沉積有薄膜的幕墻玻璃表面對(duì)可見光的反射率小于基底玻璃的反射率，能夠達(dá)到反射率小于2％，因此消除了白光污染帶給現(xiàn)代化城市的公害。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的無白光污染的幕墻玻璃的反射率曲線圖3是本發(fā)明的無白光污染的幕墻玻璃的透射率曲線圖4是本發(fā)明的無白光污染的幕墻玻璃在可見光區(qū)域的反射率曲線實(shí)施例表1為幾個(gè)不同膜系所對(duì)應(yīng)的可見光和紅外光區(qū)域的反射率。

表1中的膜層結(jié)構(gòu)如圖1所示。
以表1的膜系1為例，當(dāng)紅外線波段的反射率R≥85％，可見光的反射率為R≤1％時(shí)。根據(jù)上述公式(1)-(8)式推算出薄膜的膜系結(jié)構(gòu)，其中膜層數(shù)m＝5，基底1采用窗玻璃，其折射率為1.52，膜系的材料膜層21為TiO2，膜層22為SiO2，膜層23為Ag，膜層24為TiO2，膜層25為SiO2。各層膜層的厚度d分別為玻璃基底/d125nm/d25nm/d310nm/d425nm/d550nm。薄膜的制備采用磁控濺射沉積。建筑上用幕墻玻璃是采用大型磁控濺射系統(tǒng)，濺射系統(tǒng)具有全自動(dòng)控制裝置。
薄膜的膜層21TiO2沉積采用反應(yīng)濺射沉積，濺射金屬Ti靶時(shí)，濺射氣體為氬氣，反應(yīng)氣體為氧氣，氧氣的流量由氣體流量?jī)x控制。氧氣的流量為0.8cm3/sccm(25℃，1個(gè)大氣壓)，濺射功率為400W，工作氣壓為2Pa。
薄膜的膜層22SiO2的沉積直接濺射SiO2材料，不要充入反應(yīng)氣體，濺射功率為900W，工作氣壓為2Pa。
薄膜的膜層23Ag的沉積直接濺射金屬銀靶，不要充入反應(yīng)氣體，濺射功率為500W，工作氣壓為2Pa。
薄膜的膜層24TiO2與膜層21TiO2的沉積條件相同。
薄膜的膜層25SiO2與膜層22SiO2的沉積條件相同。
本發(fā)明各層薄膜的厚度應(yīng)該滿足(1)-(8)式，只要在可見光區(qū)的反射率比較低的范圍內(nèi)，各層膜的厚度有一定的變化范圍。各層膜的厚度不一定是計(jì)算值，但從表1中所列的各膜層厚度表明第二層膜層厚度d2≥0，而其他各膜層的厚度均必須同時(shí)大于0，即同時(shí)d1＞0，d3＞0，d4＞0，d5＞0。而各膜層的結(jié)構(gòu)不同，則各膜層的厚度也不相同，如膜系1的第三層23d3在5-30nm膜系2的第三層23d3在40-80nm膜系3的第三層23d3在5-30nm膜系4的第三層23d3在40-80nm范圍內(nèi)變化，其它各層薄膜的厚度在相應(yīng)的范圍內(nèi)變化，同樣可以得到在可見光區(qū)低的反射率、紅外光區(qū)域高的反射率的薄膜制品，這樣有利于幕墻玻璃的工業(yè)化生產(chǎn)。
所獲得的幕墻玻璃其結(jié)果測(cè)得反射率曲線如圖2所示。
透射率曲線如圖3所示。
可見光區(qū)域反射率曲線如圖4所示。
上述結(jié)果證明了本發(fā)明所具有的無白光污染的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種無白光污染的幕墻玻璃，包括玻璃基底(1)和沉積在基底(1)表面上的薄膜(2)，其特征在于具體薄膜(2)的結(jié)構(gòu)順序是[1]由玻璃基底(1)開始，沉積在玻璃基底(1)表面上的第一層薄膜(21)是折射率大于2.0的金屬氧化膜；[2]沉積在上述第一層薄膜(21)表面上的第二層薄膜(22)是折射率小于玻璃基底(1)折射率的氧化硅膜；[3]沉積在上述第二層薄膜(22)表面上的第三層薄膜(23)是對(duì)紅外光反射率大于70％的膜層；[4]沉積在上述第三層薄膜(23)表面上的第四層薄膜(24)是折射率大于2.0的金屬氧化膜；[5]沉積在上述第四層薄膜(24)表面上的第五層薄膜(25)是折射率小于玻璃基底(1)折射率的氧化硅膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的一種幕墻玻璃，其特征在于折射率大于2.0的金屬氧化膜是二氧化鈦(TiO2)膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的一種幕墻玻璃，其特征在于折射率小于玻璃基底(1)折射率的氧化硅膜是二氧化硅(SiO2)膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的一種幕墻玻璃，其特征在于對(duì)紅外光反射率大于70％的膜是銀(Ag)，或者是氮化鈦(TiN)膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的一種幕墻玻璃，其特征在于沉積在第一層薄膜(21)表面上第二層薄膜(22)的膜層厚度d2≥0。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的一種幕墻玻璃，其特征在于沉積在玻璃基底(1)表面上薄膜(21)的膜層厚度d1，第三層薄膜(23)的膜層厚度d3，第四層薄膜(24)的膜層厚度d4，第五層薄膜(25)的膜層厚度d5均必須同時(shí)大于0。
全文摘要
一種無白光污染的幕墻玻璃,主要用于建筑物。它是在玻璃基底的表面上沉積有減小可見光反射的由高低折射率兩者相互交替疊加構(gòu)成的膜層和對(duì)紅外光具有反射率大于70%的膜層。它的基本特點(diǎn)是對(duì)紅外光有高的(大于70%)反射率,而對(duì)可見光的反射卻降到最低的限度,即沉積有薄膜的表面,對(duì)可見光的反射小于基底玻璃的反射率,達(dá)到反射率小于2%。故而稱為無白光污染的幕墻玻璃。
文檔編號(hào)E04B2/88GK1189563SQ9710625
公開日1998年8月5日 申請(qǐng)日期1997年1月30日 優(yōu)先權(quán)日1997年1月30日
發(fā)明者王明利, 范正修 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所