红外低辐射薄膜的节能原理

       红外低辐射薄膜是在近几十年才得到大力发展的一种材料,因它对可见光具有较高的透射率,且对红外光、特别是6~15μm的远红外光具有较高的反射率,所以可同时具备隔热、保温和采光等功能。用低辐射薄膜装配门窗、高级建筑物的幕墙可以减少室内冬季取暖和夏季空调等设备的能量消耗,并且有利于环境保护,因此红外低辐射膜在建筑行业和汽车工业可得到广泛的应用。

      低辐射薄膜(Low-E膜)的制备方法可分为在线法和离线法两大类。在线法是指在浮法玻璃生产线上利用高温热解法镀低辐射膜玻璃。离线法是指在玻璃下线以后,用磁控溅射等方法在玻璃表面镀低辐射膜的方法,因离线膜的光学性能和热学性能要比在线膜好,更能满足应用需要,所以目前对离线膜的研究比较多。

       研究者们在用磁控溅射法制备红外低辐射薄膜方面开展了许多工作,最近几年,用该方法分别在玻璃和柔性衬底上镀制红外低辐射薄膜发展的很快。本文根据国内外的研究现状,对磁控溅射制备红外低辐射膜的工艺方法、膜层结构与性能及其节能原理进行综述性的介绍。

低辐射薄膜节能原理

根据膜层的反射率R与其折射率n和吸收系数k的关系:

通过求解麦克斯韦电磁场方程, 可以得到导电膜层的反射率:

      由此可见,膜层的电导率σ值越大,它对入射光的反射率越大;电磁辐射的频率υ越小(或波长越大),膜材料的反射率越大。所以,导电薄膜对波长较大的红外线具有高反射性。另外,当一个薄膜表面受到电磁辐射时,除了反射(R)外,还有吸收(A)、透射(τ),它们之间有A+R+τ=100%的关系。而物体吸收热量后还会再发射出去,称之为热量的电磁辐射,用发射率或辐射率E表征。基尔霍夫定律指出:在热平衡条件下,物体发射的辐射功率必等于它吸收的辐射功率,即在热平衡时E=A,所以有:

       可见,具有红外高反射率的薄膜,也就是红外低辐射薄膜,它能阻止室内物体热量的流失,这时τ≈0,E≈(1-R) 。因为根据维恩定律,物体最大热辐射率的波长λmax与绝对温度T之间有如下的关系:

       代入T = 293 K,得λmax =9.89 μm。实际上当室内物体温度为293K(20℃)时,室内物体辐射的红外线能量大部分是落在3~10μm的波长范围内,低辐射薄膜对物体这个波长范围的热辐射能正好具有高反射性,因此将该膜镀在窗玻璃上冬季可以阻止室内物体热量通过窗户流出室外。同样,镀有低辐射膜的窗玻璃夏季也能阻挡室外红外辐射热量流入室内。

       这些就是低辐射薄膜的保温隔热原理,这种节能的方式不论对于玻璃还是柔性透明PET衬底都是一样的,镀膜本身并不改变玻璃或者PET的性质,但膜却能反射红外辐射。这也是为什么将透明柔性衬底低辐射薄膜贴在玻璃上也能起作用的原因。

      根据太阳光谱能量分布可知,太阳辐射能量的97%集中在波长0.3~2.5μm的范围内,当膜层很薄时,这个波长范围的光一般还是能够透过薄膜的。因此用低辐射薄膜装配门窗玻璃,对采光的影响不大。