紅外低輻射薄膜的節(jié)能原理
紅外低輻射薄膜是在近幾十年才得到大力發(fā)展的一種材料,因它對可見光具有較高的透射率,且對紅外光、特別是6~15μm的遠紅外光具有較高的反射率,所以可同時具備隔熱、保溫和采光等功能。用低輻射薄膜裝配門窗、高級建筑物的幕墻可以減少室內(nèi)冬季取暖和夏季空調(diào)等設(shè)備的能量消耗,并且有利于環(huán)境保護,因此紅外低輻射膜在建筑行業(yè)和汽車工業(yè)可得到廣泛的應(yīng)用。
低輻射薄膜(Low-E膜)的制備方法可分為在線法和離線法兩大類。在線法是指在浮法玻璃生產(chǎn)線上利用高溫熱解法鍍低輻射膜玻璃。離線法是指在玻璃下線以后,用磁控濺射等方法在玻璃表面鍍低輻射膜的方法,因離線膜的光學(xué)性能和熱學(xué)性能要比在線膜好,更能滿足應(yīng)用需要,所以目前對離線膜的研究比較多。
研究者們在用磁控濺射法制備紅外低輻射薄膜方面開展了許多工作,最近幾年,用該方法分別在玻璃和柔性襯底上鍍制紅外低輻射薄膜發(fā)展的很快。本文根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,對磁控濺射制備紅外低輻射膜的工藝方法、膜層結(jié)構(gòu)與性能及其節(jié)能原理進行綜述性的介紹。
低輻射薄膜節(jié)能原理
根據(jù)膜層的反射率R與其折射率n和吸收系數(shù)k的關(guān)系:
通過求解麥克斯韋電磁場方程, 可以得到導(dǎo)電膜層的反射率:
由此可見,膜層的電導(dǎo)率σ值越大,它對入射光的反射率越大;電磁輻射的頻率υ越小(或波長越大),膜材料的反射率越大。所以,導(dǎo)電薄膜對波長較大的紅外線具有高反射性。另外,當一個薄膜表面受到電磁輻射時,除了反射(R)外,還有吸收(A)、透射(τ),它們之間有A+R+τ=100%的關(guān)系。而物體吸收熱量后還會再發(fā)射出去,稱之為熱量的電磁輻射,用發(fā)射率或輻射率E表征�；鶢柣舴蚨芍赋�:在熱平衡條件下,物體發(fā)射的輻射功率必等于它吸收的輻射功率,即在熱平衡時E=A,所以有:
可見,具有紅外高反射率的薄膜,也就是紅外低輻射薄膜,它能阻止室內(nèi)物體熱量的流失,這時τ≈0,E≈(1-R) 。因為根據(jù)維恩定律,物體最大熱輻射率的波長λmax與絕對溫度T之間有如下的關(guān)系:
代入T = 293 K,得λmax =9.89 μm。實際上當室內(nèi)物體溫度為293K(20℃)時,室內(nèi)物體輻射的紅外線能量大部分是落在3~10μm的波長范圍內(nèi),低輻射薄膜對物體這個波長范圍的熱輻射能正好具有高反射性,因此將該膜鍍在窗玻璃上冬季可以阻止室內(nèi)物體熱量通過窗戶流出室外。同樣,鍍有低輻射膜的窗玻璃夏季也能阻擋室外紅外輻射熱量流入室內(nèi)。
這些就是低輻射薄膜的保溫隔熱原理,這種節(jié)能的方式不論對于玻璃還是柔性透明PET襯底都是一樣的,鍍膜本身并不改變玻璃或者PET的性質(zhì),但膜卻能反射紅外輻射。這也是為什么將透明柔性襯底低輻射薄膜貼在玻璃上也能起作用的原因。
根據(jù)太陽光譜能量分布可知,太陽輻射能量的97%集中在波長0.3~2.5μm的范圍內(nèi),當膜層很薄時,這個波長范圍的光一般還是能夠透過薄膜的。因此用低輻射薄膜裝配門窗玻璃,對采光的影響不大。
