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低辐射玻璃
时间: 2017-8-4 8:51:06   浏览量:2820

       低辐射玻璃就是在玻璃表面形成一层低辐射薄膜。这层薄膜对可见光有较高的透过率,一般超过50%,而对室温下黑体辐射峰值波长10 ?m附近的远红外线有很低的辐射系数,或称发射系数、发射率等。这样就可以保证室内热量不会通过辐射传递的室外,也可在夏季阻止室外高温通过辐射传递到室内。配合以中空、真空玻璃和隔热窗框,可以达到节能效果。
       几乎所有的透明导电膜都是低辐射膜,如常用的ITO(氧化铟锡)、AZO(掺铝氧化锌)、SnO2等。在可见光波段,光吸收非常小的Ag膜也可以构成低辐射膜,但需要在前后表面增加介质膜,抵消光反射。
       按工艺技术,低辐射玻璃又分为离线镀膜和在线镀膜两类。在线镀膜指的是在浮法玻璃生产线的末端,增加一个CVD室,利用玻璃的高温使得气体分解形成一层氧化锡透明导电薄膜。氧化锡的辐射系数大约为0.2左右,远低于普通白玻璃的0.87。在线镀膜低辐射玻璃由于辐射系数高、透过率低、反射和透过光颜色调整范围小等因素,只能用在要求低的场合。其优点是抗氧化能力超强,而且耐磨性能好,可单层应用,国内在线镀膜低辐射玻璃生产线有数十条。
离线镀膜低辐射玻璃指的是采用磁控溅射方法,在玻璃表面形成一层低辐射金属膜和相应的保护介质膜。这种低辐射玻璃的辐射系数低,可见光透过率高,颜色可以随意调整,因此得到广泛应用。

离线镀膜低辐射玻璃的基本结构


 

        常温下,黑体辐射的中心波长约10?m。在这个波长下,绝大部分金属的辐射系数都是非常低的,如Ag/Cu/Au/Al/Mo/W/Ta/Nb/Zr/Ni/Fe,都可以用到太阳能集热管中的低辐射层。能用于玻璃中的却只有Ag,因为只有Ag有很小的可见光吸收率。降低辐射系数的简单方法是增加银层厚度,但简单的增大银层厚度会导致可见光反射率大幅度增加。

离线双银低辐射玻璃的结构


       中间介质层较厚,两侧较薄,这就构成了双银低辐射玻璃。再增加一层银,还可以构成三银低辐射玻璃。由于银的折射率实部不是零,银层是有吸收的,银层双银和三银低辐射玻璃的辐射系数虽低,但光的透过率却大幅度降低。

离线单银软膜结构


       最早的低辐射玻璃结构,以氧化锌为介质层,其最大特点是,沉积速率快。因为折射率较低,可见光透过谱窄,一般采用双银结构来扩大谱宽。抗氧化能力低,须要24小时内封成中空结构。


离线单银硬膜结构


       第二代低辐射玻璃,特点是,采用等离子喷涂导电低价氧化物靶,靶材成本高。折射率高,可见光透过谱宽,单银就可以满足要求。采用双银或三银结构的效果更好,但透过率低得多,不适合民居。抗氧化能力较低低,也须要24小时内封成中空结构,基本不能钢化。


       为了防止在上层氧化钛沉积中银层氧化,需增加一层约3nm的金属层,可用Cr或Ni等。该金属层使得辐射系数和透光率指标大幅度降低。

可异地加工和钢化的硬膜结构


       较晚出现的结构,采用SiAl靶反应溅射沉积,沉积速率与低价氧化钛靶相近。因为是非晶结构,抗氧化能力强,可以异地封接和钢化处理,也可非中空应用。高硅硅铝靶需要等离子体喷涂制备,成本高。透光谱性能和损耗相互矛盾,总体光学性能比氧化钛结构差。铝和硅都不能与氮气直接反应,氮气被电子碰撞后形成原子氮,可与铝或硅反应,这就要求气氛中氮含量很高,结果氮气电离比例较高,使得靶表面氮化,导致溅射速率大幅度降低,需要增加靶数,导致设备成本提高,电源功率提高。


可异地加工和钢化的另一种结构


       特点:最外面增加一层抗氧化的SiAlO,10纳米就足够了。


金属靶反应溅射

       采用纯金属靶进行反应磁控溅射是降低成本的最有效方法。在已知的常用金属中,锌族、钒族中的钽、钛族中的铪、铬族、锰族、铁族进行磁控反应溅射时,具有可以接受的速度,但其中只有氧化钽和氧化锌具有较好的耐压和介电特性。氧化钽的溅射产额可达到0.2,是可以接受免得。而具有很好绝缘和介电特性的氧化硅、氧化铝、氧化镁,氧化锆以及具有最大介电常数和折射率的氧化钛都难以用磁控反应溅射沉积。氮化硅产额可以达到0.12,尚可接受,但氧化硅只有0.03,约为硅的二十分之一。氧化钛和氧化铝都小于0.015,不到金属铝的百分之一,氧化镁更是小于0.005,不到镁的千分之一。


各种材料的溅射产额

材料 产额
Ti 0.6   (600V)
TiO2 0.01 (300V)
AI 1.25 (600V)
Al2O3 0.01 (300V)
Si 0.5   (600V)
SiO2 0.03  (300V)
Si3N4 0.12  (300V)

       溅射沉积时,单质靶电压较高,而氧化物和氮化物靶电压较低,电压基本按实际情况列出。


溅射过程


       靶材为低价氧化钛,因此溅射气氛中需要的氧气含量低得多,靶表面溅射面积远小于衬底面积,因此一般不继续氧化,被溅射粒子以原子或分子形式飞向衬底,氧气分子可以向靶和衬底入射,将到达衬底的粒子充分氧化。


        硅铝靶溅射中,正氮离子飞向靶面,将靶面氮化。被溅射粒子大部分以分子或原子形式飞向衬底。被溅射出的硅原子不能在空中与氮结合,大部分到达衬底后再与氮原子结合。由于硅和铝不能与氮分子反应,因此靶面必须完全氮化才能得到纯氮化物薄膜,导致溅射速率变慢。硅铝靶的另一个问题是高硅硅铝靶需要等离子喷涂方法制备,靶材成本远高于金属靶。拉制成型的合金靶材中,硅含量难以超过60%。高铝组分的硅铝靶溅射非常慢,而且折射率低,不能用于低辐射玻璃的制备。解决低硅含量硅铝靶的溅射沉积问题是一个大的挑战。


 


        靶材为纯钛,被溅射粒子大部分已原子形式飞向衬底,氧气分子可以向靶和衬底入射,分别将靶面和到达衬底的粒子氧化。金属表面形成的氧化钛极难溅射,导致沉积速率极慢。

低辐射玻璃面临的难题
        到目前为止,低辐射玻璃,尤其是高档低辐射玻璃主要用于宾馆、写字楼、医院中。这类建筑中,单窗面积较大,窗框所占面积比例小,低辐射玻璃效果明显。此类建筑所需的玻璃呈现逐年缩减的趋势。扩大民居领域的应用,才是正路。民居的特点是单窗面积小,一般不会超过1平米,一般0.5平米。这种窗中,低辐射玻璃的节能效果并不明显,只有大幅度降低价格,才能与效果匹配。

世界性难题
        大面积衬底上,氧化镁、氧化铝、氧化钛等材料的金属靶反应磁控溅射被认为是一个解决不了的世界性难题,早已经没人尝试解决,转而寻求一些替代方法,如前面所述。
        第一个解决该问题的人是我们,可追朔的上世纪80年代,但结果一直没有发表。首先发表此类结果的是皇明公司,他们解决了在高温集热管表面沉积氧化铝减反层问题,而且速度非常高。解决此问题的是一个刚出校门不久的女孩儿,初生牛犊不怕虎,硬试出来的。最初是尝试用铝靶反应溅射沉积氮化铝,从原理上讲,这是不可能的。氮化铝不行,就用氧化铝试试,结果就成功了。虽然减反射效果不如氮化铝,但可以用。集热管太阳能吸收膜沉积中,靶基距非常大,这是其成功的基本条件。由于不懂得其中的道理,仅限于在太阳能集热管这一特殊条件下应用,而不能推广到其它领域。

圆柱形金属靶反应溅射的优势
        如果能实现钛、锆、铝、硅等薄膜的金属圆柱靶反应磁控溅射,对薄膜产业的影响是革命性的,带来的好处包括:

       (1)圆柱靶适合大面积衬底上薄膜沉积,适用于大规模生产。

       (2)采用金属靶的成本远低于导电介质靶,构成降低成本的次要因素。

       (3)可实现高速溅射沉积,设备规模减小,大幅度降低设备成本,是降低成本的首要因素。

       (4)大幅度降低用电量,构成降低成本的次要因素。


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