镀膜玻璃的功能_分类与性能比较

对高纬度的温带和寒带地区,建筑功能主要考虑的是减少室内热能的散失.而热量主要是以黑体辐射(波长大于3Lm的远红外光线的热辐射,见图1)的形式从窗户向外散失的.虽然普通玻璃的导热系数较低,且对远红外辐射几乎是不透的,但由于玻璃对热辐射的吸收率达89%以上,相应的玻璃表面辐射系数就较高,故它会以吸热后再辐射以及与周围空气热交换的形式向外散失热量.因此,提高玻璃表面对远红外线的反射能力则可减少热散失.低辐射镀膜玻璃就是为此目的而生产的.

2.2 控光与装饰性能

控光功能,主要指对人眼所感知的可见光(波长在0.38～0.78Lm间,见图1)的控制,体现在两个方面:

(1)根据人的喜好和室内性质所要求的采光量,选择和确定外部光线的进入,即调节室内的照度.

(2)适当的透射率的选择,可以使镀膜玻璃具有单向透视功能,即“防窥性”,它实际起到了帷幕作用,而由内向外眺望则无任何阻隔感.

装饰功能是镀膜玻璃最具优势的外观特征,它可调节可见光的反射波段,使玻璃出现各种色彩.目前其色彩已开发出几十种,用户可根据喜好自由选择.

2.3 保色功能

太阳光谱中有3%的紫外线,它是各种物品褪色老化的主要根源.镀膜玻璃可反射或吸收阳光中的紫外线,即延缓了衣物、家具等褪色及目前大多数有机装饰材料的老化过程.

上述几项功能是人们对镀膜玻璃功能的基本要求,亦是衡量镀膜玻璃综合性能的标准.但并不是所有的镀膜玻璃均能很好的同时具备上述各项功能,而是往往有明显差异.造成这些差异的原因是多方面的,除了各生产厂家生产环节会造成一些差异外,其基本的差异则是由生产工艺本身所决定的,因此系统了解镀膜玻璃的各种生产工艺有助于对镀膜玻璃的总体认识.

3 镀膜玻璃的分类

镀膜玻璃有多种分类方式,本文以有利于镀膜玻璃的正确选用为原则,主要根据镀膜玻璃的功能及生产工艺对其进行分类.3.1 镀膜玻璃的基本类型

由前述已知,从镀膜玻璃反射热的功能来看,可将其分为阳光控制玻璃和低辐射玻璃,分别又称为遮阳玻璃和隔热玻璃,前者在工程上更多地被称为热反射玻璃.低辐射玻璃是一种极具潜力的节能采光材料,但由于其生产工艺难度大、成本高(反射膜多为贵金属膜),目前在我国还没有形成工业化生产,也没有在建筑物上大面积采用,故本文以下讨论的镀膜玻璃均为热反射玻璃.

镀膜玻璃根据生产工艺分类有利于具体地了解各种镀膜玻璃质量差异的内在原因.镀膜方法按成膜机理可分为物理镀法和化学镀法.每一种镀法又根据其原理的不同分为若干种.我国目前市场上见到的热反射玻璃基本上是按以下四种方法镀制的:  

  在物理和化学两种镀膜方法中,化学镀法发展较早,历史较久.真空镀膜法虽然只有30余年的发展历史,但从目前应用的广泛性看已明显超过了化学镀膜法.两种方法所镀制的热反射玻璃目前都占有一定的市场份额,说明各自的性能均有其独到之处.

3.2 各种镀膜玻璃的生产工艺原理与性能特点

3.2.1 凝胶镀膜玻璃

它是在常温或近似常温下,把金属醇盐溶液加水分解成溶胶,当基片浸渍溶胶时,溶胶中的液相受到温度变化、湿度变化、化学反应或电化学平衡作用的影响而部分失去,导致基

片上溶胶粘度增加,并进一步缩聚形成凝胶,然后在相对低温下加热,制成玻璃薄膜

凝胶膜采用离线加工方法生产,其生产投资相对较低,设备简单,最大的优点是所形成的膜结构与玻璃结构相似,结合力较强,镀过膜的玻璃可进行再加工——钢化、热弯.其不足之处是:

(1)只能沉积遮阳膜,而不能沉积隔热膜.

(2)凝胶膜对可见光的反射率低,而透射率高.

(3)只能沉积非选择性吸收层,即单层单色膜层.

(4)由于化学镀本身的特点,很难保证每批次膜层厚度的一致性.

(1)～(4)点成了凝胶膜玻璃的致命弱点.(1)、(2)反映的是其光学和节能特性,(3)、(4)则反映了其装饰性能上的严重缺陷,因此目前建筑物上大面积选用凝胶膜玻璃的很少.但由于其可钢化、热弯,因此在汽车玻璃等小面积应用的场合具有一定优势.国内现有凝胶镀膜玻璃厂十余家,其产品大部分用于小面积使用场合.3.2.2 在线热喷涂镀膜玻璃

在线热喷涂镀膜由于要与玻璃生产线结合在一起,故一般称为在线膜.它是利用化学汽相沉积方法,结合浮法玻璃生产工艺,在玻璃尚处在600～700℃时,将蒸汽状镀料喷涂到玻

璃表面,接着发生化学分解而形成膜层〔3,5〕

.

在线膜玻璃生产的工艺稳定性差,目前实际掌握稳定生产工艺的厂家很少.我国几家大的玻璃制造厂都试生产过在线膜,但质量都还存在问题,故市场上见到的在线镀膜玻璃均为进口产品,并以比利时产品居多.

在线镀膜玻璃的优点亦比较突出,由其生产工艺知,在线膜具有600～700℃以上的热稳定性,在需热弯成型加工的玻璃幕墙的应用上有其独特的优势.与凝胶膜相比,在线膜生产成本低,生产效率高,膜层均匀性好,因而能大面积应用.但在线膜工艺同样有其明显的不足之处:

(1)只能沉积单一膜系的遮阳膜,而不能沉积隔热膜.

(2)相对于磁控膜,在线膜反射阳光辐射的能力较差.
(3)对可见光反射率低,而透射率高(工艺上目前尚无法提高反射率),故防窥性能不佳.

(4)只能镀制无选择性的吸收膜,即膜层色泽单一,其装饰效果完全受玻璃本色限制.

(5)目前国内使用的进口在线膜玻璃尚存在光化学耐久稳定性差的问题,即在较长时间的阳光紫外线照射及大气酸碱作用下会变色,影响装饰效果.

由此可见,在线膜玻璃优势与不足都很突出,在大面积热弯方面表现出的优点是其占据市场的主要原因.

3.2.3 真空蒸发镀膜玻璃

物理汽相沉积法(简称PVD)是将固体镀料在真空环境中采用加热或离子轰击的办法使其直接(或迅速)转化为气态,并沉积于所镀物件的表面,形成符合设计要求的膜层,故通常直接称之为真空镀膜.真空镀法很多,但常用来镀制建筑玻璃的方法有两种,即真空蒸镀和磁控溅射镀

真空蒸镀法是PVD技术中发展最早、成本最低的方法.前几年,许多制镜厂镀制的热反射玻璃均采用真空蒸镀法.蒸镀法的优点是生产厂家投资小,成本低,镀膜玻璃售价低,故前几年充斥市场,但其缺点较多:(1)膜层均匀性差,常给人一种“晴天间多云”的感觉.

(2)只能镀制单层金属膜,故装饰效果不佳.

(3)膜层理化性能稳定性差,即耐酸碱和抗变色性差.

(4)膜层强度不佳,较易划伤.

由于真空蒸镀法的上述不足,真空蒸发镀膜玻璃目前已很少用作大面积幕墙玻璃,但由于其价格上的绝对优势以及镀膜工艺的不断完善,使蒸镀玻璃在低档次建筑物上的应用仍具有很大的市场潜力.特别是近几年,空调器大量进入民宅,而与之相配的窗用节能材料——热反射玻璃的应用却明显滞后.由于磁控镀膜玻璃价格昂贵,故真空蒸镀热反射玻璃仍具有自己的潜在市场.目前国内真空蒸镀热反射玻璃生产厂有二百余家,仍在生产各种规格的热反射玻璃.

3.2.4 磁控溅射镀膜玻璃

磁控溅射镀膜技术是在二极溅射技术的基础上用磁场增强和控制阴极附近用于溅射的氩离子密度的办法提高溅射成膜的速率,使溅射技术真正成为可用于规模化工业生产的镀

膜技术

.由于该法有一系列其它方法所不具备的优异特性,故给薄膜工业带来了革命性的变化.磁控镀膜技术用于镀制建筑玻璃的时间虽然比其它方法都短,但它已发展成为生产镀膜玻璃最主要的方法.

目前,我国引进及自行设计的70余条大型生产线几乎全是磁控镀膜生产线,国产的中小型生产线中60%都是磁控镀.

3.2.4.1 磁控溅射镀膜玻璃的特点

磁控溅射镀膜玻璃集多种优势于一体,有上述几种镀膜玻璃所不具备的特点:(1)成膜速度快,生产效率高,生产幅面大(3m×5m),产量大(最大可达到200万m2/年).

(2)膜层均匀,色差小,生产过程易于电脑控制.

(3)溅射粒子能量大(是蒸镀粒子的数十倍),膜层结构致密,附着力强.

(4)膜层理化性能稳定,抗变色性强.因其在金属膜外表面往往有一层透明金属氧化物保护层(见图2),故其耐划伤能力强,耐酸碱性能优异.(5)膜层组合方便,膜系种类多.不但能镀制金属膜,还可镀制氧化膜、氮化膜、透明导电膜、介质膜以及其它方法不

可能制成的特殊组合的合金膜

.因此它不但可与本体着色的玻璃结合镀制各种彩色膜,而且可在白色玻璃上利用光干涉显色的方法形成彩色膜,其品种达几十种之多.(6)光控性强,膜层各种参数可在生产过程中用电脑调整、控制,因此能够容易地得到各种符合使用要求通量和热辐射量的镀膜玻璃,实现人们对遮阳和防寒节能的要求.

显然,只有磁控溅射镀膜玻璃真正具备人们企望镀膜玻璃所应具备的各种优异性能.

3.2.4.2 磁控溅射镀膜玻璃的分类

由于磁控镀膜设备档次很多,造价可从几十万元到近亿元,相应的镀膜玻璃质量性能差距就很大,故上述的几大特点并不是所有的磁控镀膜玻璃都同时具备的.要正确选用,必须对磁控镀膜玻璃的膜层结构有全面了解.

特定的功用:

为透明的金属氧化物薄膜.由于它与玻璃和金属膜之间都有很强的“粘结力”,故其第一个作用是作为金属膜与玻璃间的过渡层以增强金属膜与玻璃间的附着力.另一个作用是与金属膜结合,通过吸收和干涉显色.通过膜厚的改变,可从玻璃面看到不同的反射色.膜一般为:TiO2、Cr2O3、Al2O3等由干涉显色原理可知:膜厚的均匀性直接影响着色泽的一致性,薄膜的透明度则决定了色彩的鲜艳程度.

膜为金属膜,其作用与其它热反射玻璃相同,用来反射或吸收阳光中的红外线和紫外线.其厚度的均匀性决定着透射光和反射光的一致性.一般选用Ti、Cr、1Cr18Ni9Ti、TiN、CrN等材料,但沉积工艺不同则性能各异.

膜的主要作用是保护金属膜,由于其硬度、耐磨性等较金属(合金)膜明显为高,且其结构致密,耐酸碱性也比金属(合金)膜好,故对金属膜能起到保护作用,保证了金属膜色泽与光学性能的稳定性.

膜结构的致密性及其膜厚的均匀性又对保护效果即反射膜的寿命造成直接影响,一般保护膜为TiO2、Cr2O3、Al2O3、ZrO2等.

显然,要镀制符合所要求性能的膜层,必须要有相应的设备和技术作保证.设备档次不同,所生产的磁控镀膜玻璃质量也有较大的差异.

目前,磁控玻璃镀膜设备约有十余种规格,但可分为三种类型,相应的磁控镀膜玻璃亦就分成三大类:

(1)国产小型设备(造价在100万元以下)一般仅能镀制单层金属膜,且以不锈钢膜为多,其膜层的均匀性又因磁控溅射源结构的不同而有明显差异.最早的小型磁控镀设备一般均采用同轴靶溅射源,其镀制的玻璃在使用1～2年后就会出现与玻璃长边平行的条状不均匀带,严重影响其装饰性.此类玻璃虽属磁控镀膜,但其内在质量与蒸发镀膜相差无几.后来出现的改进型磁控镀,大多数改其溅射源为平面靶,镀制膜层均匀性有明显提高,但由于不锈钢中含有C等,其耐腐蚀性不佳.为了提高膜层的稳定性,通过对上述设备的进一步改造可镀制如图3所示的组合膜层的反射膜.图中膜(1)仍用不锈钢膜,而膜(2)一般选用Ti膜.由于钛的耐酸碱性较不锈钢好,故使其玻璃的耐酸碱性有所提高,但耐磨性仍不理想.

这种设备不能镀制透明氧化物膜,故无法在白色玻璃上镀制彩色膜.

(2)中型设备,其造价一般在1000万元以下,主要包括国产的大型生产线和早期进口的生产线.这类设备所镀制的玻璃分为二层膜系和三层膜系,其中国产设备以镀制二层膜居多,其结构为:

氧化膜+金属膜或金属膜+氧化膜,少数国产设备也可镀制三层

膜系的玻璃.进口设备可镀制的膜系为:氧化膜+金属膜+氧化膜.由于镀制氧化膜和氮化膜时对设备的布气系统、控制系统、真空系统以及气体纯度、靶材纯度等要求极高,因此这类设备生产的镀膜玻璃在色泽的一致性、鲜艳程度、耐久性(抗变色性)及可镀制的色彩种类等方面与近几年引进的大型磁控生产线生产的镀膜玻璃有明显差异.这类设备所镀玻璃属中档镀膜玻璃.

(3)代表国际先进水平的磁控镀膜设备.这类设备造价较高,一般都在5000万左右,多者达到近亿元,国内现有此类生产线约十余条.目前,国际上以德国莱宝和美国爱柯公司的设备为代表,其生产的镀膜玻璃不论是白片彩色膜,还是色片非彩色膜均选用图2所示的膜系结构,故其膜层的均匀性、色彩的鲜亮程度、抗变色性等均代表着目前磁控镀膜的水平.另外,这类设备开发潜力大,基本可作到客户要什么颜色,就可提供什么颜色.

磁控镀膜玻璃唯一的不足是其不能进行热弯,但目前国内已有厂家作这方面的探索,并取得了进展.

3.3 安全镀膜玻璃

现代建筑的特点是楼愈来愈高,幕墙及窗户面积愈来愈大,单层浮法玻璃的力学性能已无法满足实际需求,因此就出现了许多增强力学性能的镀膜玻璃.常见的有热增强镀膜玻璃、钢化镀膜玻璃、夹胶镀膜玻璃,由于这类玻璃强度高且不易破裂,故又叫安全镀膜玻璃,还有隔音、隔热性能优异的镀膜中空玻璃,目前高层建筑已大量采用这几种玻璃.

本文只是重点介绍了目前市场上常用镀膜玻璃的分类及其性能特点.