可钢化Low- E镀膜玻璃的发展及工艺探讨

浙江旗滨节能玻璃有限公司 董炳荣

1 引 言
中国在全球化经济大潮中扮演着越来越重要的角色。然而， 中国也是能源消耗大国， 大最的能源消耗用于建筑中采暖、空调、家用电器等设备的工作，占社会总能耗的33%, 并且呈现逐年上升的趋势， 单位建筑面积能耗是发达国家的2- 3 倍以上。而门窗幕墙是建筑中最易发生能景交换的场所之一，大量能量通过窗户流失 ，占 整个建筑能耗的50%左右。所以， 做好门窗幕墙的节能就是对建筑、乃至全球节能的重要贡献。

窗户节能的关键在千控制经过窗户的能量交 换。一般来讲， 通过窗用玻璃的热 量交换方式有热传导、对流和热辐射三种。热传导通过在玻璃构件 中填充具有低传热系数的介质气体（如氢气等 惰性气体）来降低热措传导。对流通过对玻璃构件中的 气体进行隔绝或密封处理，减少气体流动，从 而降低对流传热。热辐射主要依靠可见光和红外线的辐射传热。

太阳能是地球上热晕的主要来源，太阳热能主要集中在250- 2500 nm 的波段上，分别在紫外波段250-380 nm占据 2%, 可见光波段 380- 780 nm占据47%, 红外波段780- 2500 nm占据51%。Low- E 锁膜玻璃是采用真空磁控溅射物理锁膜的方法，在玻璃表面锁制多层金属或其他化合 物纳米涂 层的深加工玻璃产品， 可以有效降 低玻璃表面辐射率至0.15 以下。Low- E 玻璃一般在可见光波段具有较高的透过率，在近红外波段具有较低的透过率，在夏天可降低室内太阳能的摄入； 而Low- E 玻璃由于对4500-120000 nm 波段的中远红外具有很高的反射率，在冬天可以减少室内热量的二次辐射造成的损耗。因此， 低辐射锁膜玻璃具有很好的隔热保温效果，可实现“透光不透热”的功能，达到“冬暖夏凉” 的效果。综上所述，门 窗幕墙节能最经济有效的方法是推广使用 Low- E 锁膜中空玻璃，提 高门窗幕墙的节能性能，降 低建筑的整体能耗。

2可钢化Low-E 的重要性
从19 世纪在市场上最开始的应用的 阳光控制锁膜玻璃， 到20 世纪初逐步引入和研发低辐射锁膜玻璃，并从结构简单的单银Low- E 锁膜玻璃，到节能性能更高的双银Low- E 锁膜玻璃，再 到结构复杂、节能性能达到极致的 三银 Low- E 锻膜玻璃，锁膜玻璃产品和技术在中国得到迅速发展。目前， 在国家宏观节能政策的引导下， Low- E 锁膜玻璃的用量仍然呈现增加趋势。根据节能指标的要求 ， 住宅门窗一般单银Low- E 锁膜玻璃可满足设计要求，而幕墙玻璃一般需要采用隔热保温性能更强的双银甚至三银 Low- E 锁膜玻璃。

在国内传统的Low- E 锁膜玻璃加工中，采用先钢化后锁膜的加工方式，最常用的生产工艺流程是原片一切割一磨边一钢化一锁膜一中空一包装。这种工艺的优点是，可以避免锁制在玻璃上的膜层在钢化炉内经受高温热处理，使得膜层不受钢化工艺的影响。此种方法生产的Low- E 玻璃钢化平整度可控，成像良好，隔热、遮阳等性能优越，对产品颜色选择性较多 。

但是由于传统 Low- E 玻璃膜层结构设计问题、材料特殊、环境适应能力差等多 种原因，Low- E 玻璃不能先锁膜再进行钢化或弯钢化等热加工处理。 因此，存在明显的缺点，在产能方面，由于产品的 多样化，无法发挥锁膜生产的装载率最大化，生产 效率较低，尤 形之中增加了加工成本。在补片方面，由于钢化玻璃的特性，需要从原片开始重新经过整个生产流程 ， 交货周期长， 产能浪费。在异地加工方面， 传统的Low- E 玻璃属千不可异地加工产品， 也无法推广到汽车玻璃、需要平弯钢化玻璃搭配的现在建筑，也 不能大面积推广到民用建筑上 。传统Low—E 玻璃存在以上种种弊端， 严重困扰着玻璃正常、高效的生产。

随着锁膜技术的发展和成熟， 可钢化 Low- E玻璃得到关键技术突破， Low- E 膜层可经受 700 °C 的钢化炉内的高温热处理，能够满足锁膜后的切割、 磨边、钢化、弯钢化、热弯等的要求，从根本上解决了异地加工的难题 。可钢化 Low- E虽然在颜色可选择性， 隔热、遮阳等性能方面无法与传统 Low- E 玻璃相比，但是大大缩短了产品的交货周期以及提供 补片便利，扩大产品的辐射半径，打通了原有企业 的产晕瓶颈， 有效提高了厂家的生产效率和效益， 使 得可钢化 Low- E 玻璃成为未来市场的一个发展趋势。

3可钢化Low-E的发展及演变
可钢化锁膜玻 璃最初用于银基膜系的锁膜玻璃，第一次在650°C 的高温下生产汽车挡风热弯玻璃，光学性能良好、氧化程度不同的金属氧化物层薄膜作为银层保护层， 可避免在高温下因氧分子扩散而导致银层氧化，失去功能。后来，可钢化锁膜工艺技术逐渐被用千生产建筑玻璃，最初的理想目标是开发新型银层保护层，在热加工前后，锁膜玻璃的颜色、性能基本保持不变。那么，同一款膜系的产品，在钢化前后从外观上没有明显的色差，对于锁膜玻璃的生产、存储和处理具有巨大的经济效益。

可钢单银 Low- E 锁膜玻璃的膜层结构为经典的“三明治 ”结构，以玻璃基地向外依次为底部介质层、阻挡层、红外反射层 、阻挡层、顶层介质层 。底层介质层使用热稳定性能强且具有化学惰性的材 料， 防止玻璃本体硅酸钠中的钠离子( Na勹扩散迁移到膜层中，破坏功能银( Ag )层的结构，并且能与玻璃基地牢牢结合，增加膜层与基底的结合力。一般采用S戊 ，SiOxNy’ SiOx’ TiOx 等。红外反射层一般采用高纯度 Ag 靶溅射制成，单银 Low- E 膜层结构中Ag 层厚度在 5- 20 nm。金属银( Ag ) 是自然界中辐射率最低的材料之一，当平板玻璃锁上一层以 银为基础的低辐射薄膜后，其辐射率可降至0.15 以下，可将太阳光过滤成冷光 源， 提高锁膜玻璃的隔热性能。但是，金属银( Ag )与金( Au )不同，对氧( 0 ) 和硫( s ) 具有化学活性，在空气中逐步被氧化或者硫化， 逐渐失去低辐射性能。因此， 在红外反射层两侧增加阻挡层，可防止 Ag 层被氧化。阻挡层使用结构致密且热稳定性较高的材料，致密的阻挡层结 合在红外反射层（功能 Ag ) 两侧， 在热加工工艺的高温环境下阻挡氧分子 ( 02 ) 进入红外反射层与 Ag反应， 保护Ag 层在热加工工程中不被氧化或破坏。一般采用NiC r、Cr 、NiC rNx 、Ti、TiOx、Nb , NbOX 等。

对于可钢 Low- E 来说， 最外面的顶层介质层必须同时具备机械性能强、硬度高、耐磨损、热稳 定性强等特性， 才能保护膜层结构免受外界破坏。一般采用SiNx 、SiOxNy 、S虹 、ZrOx 、石墨等 。其中，Si3凡材料作 为底层 介质层与顶层介质层， 与其他材料相比，具 有明显的优势。况凡是一种化学惰性材料， 氮和硅均是电负性较强的元索，使 得Si3凡是一种强极性共价化合物，熔点高，分解温度超过1900飞 线膨胀系数极小，具 有良好的热稳定性和抗氧化性性，可提高膜层加工过程中的稳定性，完 全能经受住钢化炉700°C 的高温，是薄膜材料中为数不多的耐高温材料之一。另外， Si3凡的超硬材料， 莫 氏硬度已经达到了 9 以上，仅次于金刚石的硬度 10, 可以充分地保护可钢 Low- E 玻璃异地加工或存储时不被外力划伤 、品曾伤。因此，可钢单银Low- E 的经典膜系结构之一为： 玻璃 /SiNJ NiCr/Ag/NiCr/S讽 。此种膜结构的可钢单银 Low- E 玻璃一般为中低透膜 系， 可见光透过率很难突破 70% , 因此， 在介质层中引入致密氧化物层 ， 例如 AZO 、ZnOx, ZnSnO, 、T心 等， 减薄金属阻挡层的厚度， 提高透过率， 可钢单银 Low- E 透过率甚至可达到80% 以上。

目前， 市场上可钢单银Low- E 产品巳较为成熟，性能稳定，推广和使用最为成功。但是由千5 层膜层结构，膜层设计和膜层调节空间不大，也存在层材料也与单银Low- E 类似，但是考虑锁膜玻璃的颜色单一，可选择性较少的间题。更主要的原因是， 整体透过率 ，单 层阻挡层的厚度减薄。而整体膜层单银Low- E 无法满足逐步提高的节能指标要求。为 结构更复杂， 这使得可钢双银Low- E 对千膜层设了获得更好的辐射率，可增加 Ag 层的厚度，但是当 计要求更高， 对磁控溅射锁膜线的生产状态要求更Ag 层超过一定厚度时，纳米 Ag 层转变为块状材料 高，也 导致在热加工过程中，钢化工艺的控制要求的性能，即使继续增加Ag 的厚度，节能性能也无法更高。
继续增加。经过长时间的研究和探讨，把Ag 层用一些折射率较好的材料分开， 形成两层 Ag 的对称结构，也就是双银Low- E 结构，效 果更佳。这不但大幅提升了 Low- E 锁膜玻璃的节能效果， 辐射率也可从 0.15 降至0.05, 对于太阳辐射的选择效应更高、性能更加优越，同时可见光透过率仍可满足室内采光的需要，使 得双银 Low- E 锁膜玻璃逐步受到市场欢迎。随着磁控溅射锁膜技术的发展和锁膜工艺的突破， 双银Low- E 锁膜玻璃制造成本持续降低，并且不断有可钢化双银Low- E 锁膜玻璃产品的面世，

引 领了全球汽车和建筑用玻璃的新潮流。

图1 单银 Low-E 踱膜玻璃的膜层结构

可钢双银Low- E 的膜层结构是在单银Low- E 膜层结构的基础上，增加了一套以银为基础的薄膜 结构，以玻璃基地向外依次为底部介质层、阻挡层、红外反射层、阻挡层 、中间介质层、阻挡层、红外反射层、阻挡层、顶层介质层。其中，底层介质层 、顶层介质层材料与单银Low- E 类似。而中间介质层材料的选择性更丰富，一般有SiNx、TiOx、ZnOx、SnO, x ZnAlOx 、AZO 、ZnSnO x、NbOX 、A队 或者由多种复合材料构成，其主要作用是提高膜层之间的附着力， 对功能材料起黏结作用，同时，中间介质层对千锁 膜玻璃颜色影响较大，合理设计，可设计出室内室 外颜色清透的双银 Low- E 产品。

图 2 双银 Low-E踱膜玻璃的膜层结构

4可钢化Low-E 的加工工艺
玻璃钢化时需加热到700 °C 左 右进行热处理。为防止Low- E 锻膜玻璃出现锁膜面划伤， 钢化时必须锁膜面朝上。但由千 Low- E 锁膜玻璃具有很 强的抗红外辐射的特性，锁膜玻璃的两个表面性 质不同，导致朝下的玻面热辐射反射率为 11%左右， 朝上的锁膜面热辐射反射率在85% 以上。因此，Low- E 锁膜玻璃在钢化炉内受热时， 上下两个 面受热不均匀，易 造成板面弯曲，炉内翘曲。实际钢化加热过程中通常采用以下方式使上下表面的受热均匀：心通过上部强制 对流， 补偿热传导，使上下两面的温度一致；＠通过提高上部设 定温度来强化对流传热的作用，将更多的热量传递到玻璃 的上表面； ＠ 降低下部传热速率，适当降低下部设定温度；＠延长加热时间。为了提高低辐射锁膜的 加热效率，同时避免温度过高出现膜层氧化，下表 面与陶瓷辐道直接接触传导加热，强化对流乃至强 制对流加热，应适当降低下表面温度，延长加热时 间，提高成品率。根据经验 ， 在加热时间的控制上低辐射锁膜玻璃要比相同厚度的不锁膜玻璃增加30%- 40% 为宜。
Low- E 锁膜玻璃在生产过程中， 金属 Ag 靶溅射到阻挡层( NiCr ) 上，Ag 原子吸附到NiCr层， 在表面扩散、迁移、相互碰撞结合成原子对或原子团， 逐步长大形成稳定晶核，并且再捕获其他原子团或 者与入射原子结合进一步长大形成许多小岛，再由 岛合并网状连接，最终成膜，也就是常见的＂岛状 生长模式” 或者”混合生长模式＂。因此， 磁控溅射锁制的Low- E 膜层表面粗糙，膜层疏松。

图3 核形成与生长的物理过程

这种Low- E 膜层结构， 在钢化高温加热环境中，依 据奥斯瓦尔德( Ostward ) 生长机理， 纳米 Ag 晶粒表面自由能大，在高温下活化，Ag 原子的扩散加剧， 自发地迁移和融合， 进一步长大。并在高温作用下，晶格缺陷、晶界、位错等缺陷减少，Ag 层结构变得均匀、光滑，导 致膜层对光的散射降低， 透过率增加。不仅仅针对 Ag 层，其 他介质层、阻挡层在钢化加热过程中也发生类似的生长反应。除此 之外，钢化高温下，玻璃基体中的钠离子会进入底 部介质层， 可阻挡钠离子进入 Ag 层，破坏Ag 层。空气中的部分氧分子穿透顶层介质层与阻挡层反应， NiC r被氧化成NiCrOx, 从而Ag 层不被氧化。
由千在钢化过程中，膜层微观结构的变化，不可避免地导致钢化前后 Low- E 玻璃的性能变化。Low- E 膜层热加工纳米晶粒长大，膜层结构光滑致密，对可见光的散射减小，钢化后可见光透过率显著升高。单银Low- E 可见光透过率增大 2%- 5% , 而双银 Low- E 可见光透过率增大6%- 9% , 这是由千双银Low- E 比单银Low- E 多 5 层膜结构，膜层结构更为复杂， 热处理对双银 Low- E 的光学性能影响更大。同样， 钢化前后Low- E 玻璃的颜色( L* 、a*、b* )也不一致，并 且不同膜系具有各自的变化趋势， 没有明显的变化规律。一般来说， 单银Low- E 变化较小，钢化前后 Ll a* 和 Ll b* 偏差小于1.5; 而双银Low- E 变化幅度非常大， 钢化前后 Ll a* 和 Ll b* 偏差在2 以上。而Low- E 玻璃的节能性能在钢化前后也会出现轻微变化， 单银 Low- E 的半球辐射率降低0.02左右，双银Low- E 的半球辐射率降低0.01左右，这也说明， 在一定程度内， 钢化热处理可以提高Low- E 玻璃保温隔热性能。

1 奥斯瓦尔德熟化； 2 原子迁移和融合；
3. 原子长大及晶格缺陷减少
图 4 岛状核心的长大机制

虽然可钢玻璃 Low- E 得到了快速发 展和推广， 但是对于12 mm 以上的厚板钢化及弯钢化仍然存在较大困难。这一方面是由于钢化玻璃厚度越厚，钢 化时间越长， Low- E 膜层的耐热 加工要求更严苛； 另一方面是由于在玻璃出钢化炉进行弯弧过程中 ， 玻璃表面的张力变化对膜层具有较大破坏性。因此， 可钢玻璃 Low- E的膜层新材料的开发、新结构的设计以及钢化工艺的改良仍然有很大的研究空间。

5可钢化三银Low-E 的开发
随着节能指标的进一步提升， 为了追求玻璃极致的隔热保温效果， 三银Low- E 玻璃应运而生 ， 最优异的三银Low- E 玻璃可屏蔽红外辐射99% 以上， 并在国内已有成功案例。但是，目 前 的三银Low- E玻璃基本采用先钢化后锁膜的生产工艺。面对平弯搭配的现代建筑，退而求其次， 平钢采用三银 Low- E , 弯钢采用可钢双银 Low- E 或者可钢单银Low- E, 无法达到建筑物整体颜色一致的完美效果。因此， 面对这类高端需求，公 司最新研究和开发可钢三银Low- E 玻璃，采用 13 层膜结构， 膜层结构以玻璃基地向外依次为底部介质层、阻挡层、红外反射层、阻挡层、中间介质层、阻挡层 红外反射层、阻挡层、间介质层、阻挡层、红外反射层、阻挡层、顶层介质层。三层红外反射Ag 层确保辐射率降低至0.1- 0.2 , 最大限度降低红外辐射透过 率。两层中间介质层给予了更大的膜层结构设计空间和更多的Low—E 玻璃的外观颜色选择性。钢化热处 理后， 外观观察中性灰色调，颜色一致性良好， 并已应用于实际项目案例中。随着磁控溅射锁膜技术的发展和突破， 可钢三银Low- E 也会广泛应用于民用建筑，成为市场的主流产品。

6结语
随着国家有关节能环保政策的出台， 节能产品的市场逐步扩大， Low- E 玻璃的需求量越来越大。可钢 Low- E 和不可钢 Low—E 代表两种不同的加工工艺， 各有优缺点，形成互补， 在市场上的各自定位逐渐清晰 。但是，随 着市场的成熟与建筑玻璃的标准化， 机械化、自动化、智能化成为未来玻璃深加工发展的趋势。可钢 Low- E 生产效率高， 产能大，可进行弯钢化或热弯处理 ，可进行异地加 工等优势， 在未来工业化大生产的市场竞争中的优势会进一步体现。并且随着建筑节能指标一年比一年严格，可钢单银 Low- E 也正在逐步向可钢双银、可钢三银发展。因此可以预见，未来的市场会涌现越来越多的使用高端可钢Low- E 玻璃的建筑。