屈钰琦

随着现代工业的发展，全球总能耗和温室气体排放量不断增加，全球变暖和能源短缺问题日益严重。目前世界能源需求量以每年2%增长，这些能源有大约30%能耗在建筑物中。对于一般建筑，窗体面积约占30%，外门窗玻璃的热损失是建筑物能耗的主要部分，占建筑物能耗的50%以上。因此，窗口节能技术是实现建筑节能的关键技术。对于窗户来说，与节能相关的重要指标是控制热损失的能力。

窗户本身可以阻挡两边冷热空气的对流交换，采用夹层或中空玻璃组件，可以使热对流和热传导造成的热量损失大幅度降低。传热系数：单层玻璃4.7-5.8W·m-2·k-1，两层玻璃约3.0W·m-2·k-1。但采用夹层或中空玻璃组件隔热保温能力仍然有限。阳光控制型玻璃的等离子体共振边靠近可见光，可以反射太阳光中的红外光部分，因而除具有低辐射性能外，还具有一定的遮阳能力，适用于夏暖冬暖的地区。普通玻璃的辐射率为0.84，通过在普通玻璃上镀一层以银为基底的薄膜，制成低辐射（Low-e）玻璃，可以将辐射率降低至0.15以下，适用于夏凉冬冷地区。

依据节能玻璃对太阳得热的调节方式不同，可以将太阳得热型节能玻璃分为两类：太阳得热静态调控节能玻璃，太阳得热动态调控节能玻璃。静态调控节能玻璃主要通过对太阳热的吸收或者反射来减少进入室内的太阳热量，适用于夏热冬暖地区。按照太阳光与镀膜玻璃作用方式的不同，主要分为两类：第一类主要是热反射玻璃，第二类主要是透明隔热玻璃。

热反射玻璃指在玻璃表面镀一层或多层诸如铬、钛或不锈钢等金属或其化合物组成的薄膜，但由于热反射玻璃对可见光的反射率较高，易于造成光污染，在现代化建筑中的应用收到了限制。隔热玻璃主要是指通过在有机相中掺杂具有高可见光透过率和高红外光阻隔率的无机组份，制备的有机-无机复合透明隔热涂料。这类玻璃镀膜一般具有涂覆方便，可以大面积作业的优点，因此对于建筑用节能玻璃改造具有重要的意义。

通过玻璃上镀制具有可响应外界激励动态调控光通断的功能性薄膜，来实现太阳能摄入量调控的节能玻璃。依据响应外界激励的不同，可分为：电致变色、气致变色、热致变色。

电致变色玻璃，由夹在两层玻璃之间的五层亚微米级薄膜叠加构成，开关效率较高。但是结构过于复杂，制作工艺复杂且需要外接电源，系统成本较高，大面积制造难度大，目前只小规模应用在高档汽车玻璃上。

气致变色玻璃系统由电致变色玻璃演变而来，由化学反应的电动势驱动变色，无需透明电极，离子存储层及离子导体膜，因而系统结构大大简化。但电致变色层必须沉积/负载纳米级的铂、钯作为催化剂，而且需要密封的供气系统和稳定的供气源，因而增加了系统的复杂性。所以，虽然基本结构简单，但制备和使用成本并不低，目前市场上尚无气致变色玻璃产品。

热致变色玻璃是通过将具有热致变色性质的材料（如TiO、VO、V2O3和VO2）等镀制于玻璃表面，使得节能玻璃的对太阳能的通透性随外界环境温度的变化而改变。其中，具有金属-绝缘体相转变特性的VO2因具有相变前后较大的电阻率变化（最高达105）和接近室温的相转变温度（68℃）而备受关注。

1859年，贝尔实验室F.J.Morin首次报道了钒和钛的某些氧化物具有半导体-金属相变特性。VO2晶体具有两种不同的构型，温度高于68℃时，它属于四方晶的金红石型，温度低于68℃，则转变为单斜晶的构型。VO2由低温的半导体态转变为高温的金属态，对红外光的作用也由低温时的高透过，变为高温时的高阻隔，可见光区的透过率几乎不变，对紫外光区始终保持较高的阻隔。因此采用VO2镀制于玻璃表面，可以实现对不同季节太阳热的调控，实现冬暖夏凉的节能模式。越来越引起人们的重视。

VO2材料从上世纪中叶发现以来，以其优良的金属-绝缘体相变调控能力以及独特的电子-声子相互作用特性，引起了广泛关注，VO2材料的制备技术也得到了不断的提升。由于VO2薄膜可以耐受单斜到四方相变过程中产生的体积膨胀，避免了大块VO2晶体经过几次相变而导致的破裂，因此VO2薄膜的制备技术及其应用得到了迅速发展。

由于溅射法可实现工艺参数的精确控制，薄膜均一性好，已经成为VO2薄膜材料制备最为普遍的一种沉积方法。利用加热等能源借助气相作用或在衬底表面的化学反应（如热分解，还原，氧化，化合等）生成所要求的薄膜。可较好地与玻璃的浮法生产工艺相结合，合适大面积功能性玻璃镀膜。溶胶凝胶法具有实验设备简单，前驱体均匀，易于掺杂，生产成本低且易于大面积制备等优点。聚合物辅助沉积法（PAD）通过弱的化学键作用使金属离子（或其配体）与高分子聚合物官能团之间发生交联，同时高分子聚合物长链之间相互链接形成空间网络，最终形成稳定均一的前驱物镀膜液。随着对于制备方法研究的不断深入，必将使得更为完善的自动变温智能窗早日走入寻常百姓家中。