热致变色节能玻璃镀膜材料的设计与磁控溅射制备及其应用基础研究

结构简单并能实现光热的双向自动可逆调控的热致变色二氧化钒镀膜节能玻璃被认为是最适合大面积商业化生产的智能型节能玻璃之一，是国际上的研究热点。本项目针对目前二氧化钒镀膜玻璃的基本性能尚不能满足商业化应用要求的状况，提出在材料研究上采用理论与实践相结合对物质进行本质改良，在结构设计上考虑多因素综合设计并建立相应设计手段，研究适合工业生产的大面积镀膜的新型低温磁控溅射技术，力争在短期内解决二氧化钒镀膜节能玻璃存在的关键科学问题，使玻璃综合性能得到较大提高，为最终实现拥有我国自主知识产权的二氧化钒节能镀膜玻璃的产业化提供技术支撑。

我国建筑能耗占社会总能耗的近1/3，建筑行业温室气体排放已经达总排放量的1/4，是急需节能减排的重点大户。在建筑物各部位中，玻璃窗是与外界光热交换的主要通道，计算表明，室内空调能量大部分是通过玻璃窗流失，因此，使用节能窗是实现建筑节能与减排的关键。目前市场的节能窗主要为低发射率(Low-E)玻璃，因其具有透明保温等优良特性而获得广泛应用，但同时，又由于其光学性能不能根据需要进行调节而难以适应对居住环境越来越高的要求和我国大部分冬寒夏热地区的需要。因此，自上世纪80年代以来，先进国家相继投入研发光热可调的新型智能节能窗，其中利用物质温控相变，结构简单且不用任何人工能源就能实现对日射自动调节的热致变色智能节能窗备受关注。但是，尽管日欧美等先进国家进行了多年的研发，固有吸收等材料自身缺陷的改良，以及大规模磁控溅射镀膜基础工艺等关键科学技术问题至今未获得根本性突破。.针对上述状况，本项目从理论和实践上对材料基础性能进行了改良，为改善镀膜性能，对薄膜结构进行了多因素综合设计，并依据现有工业化镀膜需求研发出了大面积低温镀膜玻璃技术。在本项目支持下，短期内解决了大部分关键科学问题，使玻璃综合性能得到巨大提升，形成了镀膜玻璃工业化所需基础制备技术，为最终实现二氧化钒节能镀膜玻璃的产业化提供了技术支撑。.本研究取得重要科研成果包括：1）从理论上提出从降低二氧化钒薄膜折射率，蓝移吸收端等对材料物性进行根本上的改善以提高镀膜玻璃综合性能的方法，经实验在薄膜中引入气孔和对薄膜成分进行元素掺杂证明了理论的正确有效性，其中通过引入气孔将薄膜可见光透过率提高近一倍，采用少量锌元素掺杂将薄膜吸收端蓝移近100nm；2）根据不同纬度不同季节的日照角度变化，设计出迄今最高太阳光调节率（25%以上）的多层膜结构并通过镀膜实验进行了验证；3）在膜层设计中首次导入人体皮肤温热感觉参数进行优化设计，并制备出人体最为舒适的多层膜结构加以验证；4）根据现有工业镀膜工艺需求，研发成功磁控溅射低温镀膜新工艺，在接近室温镀膜条件下制备出了尺寸为100mm x 100 mm的多功能热致变色节能镀膜玻璃，性能指标符合设计要求。.本项目研发成果为热致变色智能节能镀膜玻璃产业化指出了发展方向，为工业化生产解决了大部分基础科学和工艺问题。所发表的论文专利等大量研发成果使我国在该领域研发水平上跃居世界前列。