一种高效隔热的复合多功能光学薄膜的制作方法

1.本发明属于光学技术领域，具体涉及一种高效隔热的复合多功能光学薄膜。


背景技术：

2.在节能减排的大背景下，应用于采光照明的低辐射玻璃(low-e玻璃)其应用场景越来越广泛，这种玻璃因表面镀制有低辐射功能的光学薄膜，对可见光有较高的透过率、对红外光有较高的反射率，可以实现较好采光效果的同时又具有较好的隔热节能效果，已实现工业化规模生产应用在各种办公、商住建筑、车窗等领域，但因综合性能不能满足使用环境要求、批生产质量一致性控制困难、成本相对较高使得广泛应用推广受限。
3.现有的低辐射玻璃的生产工艺技术路线主要有在线高温热解法与离线磁控溅射法两大类。在线高温热解法是在高温状态下首先在玻璃表面镀膜，然后在软化点温度下对其进行一定的热处理，这种方法相当于是对膜层进行了一次高温烧结，提高了膜层与玻璃之间的结合力，具有硬度高、耐磨性好、牢固度较高的优点，但存在辐射率与隔热效果相对较差、颜色选择性及功能相对单一等不足使得应用受限；离线磁控溅射法是在玻璃表面镀制低辐射金属膜及相应的保护介质膜，具有低辐射率与隔热效果相对较好、颜色可自由选择调整的优点，但存在一致性难以保证、膜层牢固度相对较低、耐磨耐高温性能差、可见光透光率相对较低、表面反射率较高容易产生光污染、制造成本相对较高等不足，机械性能与透光性能需要进一步提高。因此如何改进提升现有技术与产品获得综合性能更好的膜系、简化制备工艺、提升批生产质量、降低生产成本、适应各种环境下使用的低辐射功能薄膜是促进产品技术升级迭代推动产业发展进步的难点与重点，但受技术、装备、材料、工艺等所限，近年来创新性发展进步不明显。
4.同时，世界上利用光催化反应制备功能薄膜的研究十分活跃，特别是以纳米wo3、tio2等宽禁带半导体材料研究开发光致变色功能薄膜、光触媒自洁净功能薄膜更是该领域研究的热点，近年来取得了诸多突破性进展展现出了良好的发展前景，对低辐射高效隔热功能薄膜升级迭代提供了创新发展的新路径与新方法。但世界各国所研究开发的重点大部分集中在科研院所偏向基础技术与机理的学术性研究，研究开发的课题与方向相对集中单一，与低辐射功能薄膜技术相融合的应用技术研究相对较少，使得相关基础技术研究及取得的科技成果在该领域的应用推广远远滞后于市场需求。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高效隔热的复合多功能光学薄膜。不同于现有技术的膜系结构，其融合高效隔热功能薄膜与光催化功能薄膜新技术，形成基材(sub)/高效隔热功能膜/光催化功能膜的复合膜系结构，能够实现高效隔热、光致变色调光、光催化自洁净多种功能，在玻璃基材与柔性基材上均可实现工业化规模生产。
6.为实现上述目的，本发明采用的技术方案：一种高效隔热的复合多功能光学薄膜，
该复合多功能光学薄膜由透明基材(100)和镀制或贴合在透明基材(100)上的复合薄膜(200)构成；所述复合功能薄膜(200) 的膜系结构由高效隔热功能膜和光催化功能膜构成，所述高效隔热功能膜为在可见光波段具有较高的透光率，而且从近红外至远红外波段具有宽带截止特性的光学薄膜，具有高效隔热功能；所述光催化功能膜具有光催化光致变色、自洁净功能；复合薄膜(200)的材料为包含w、m、v、ti、 zr、cr、zn、al、ni、ce、au、ag、cu、mg、si、ge、se、te的单质、合金、化合物及其氧化物、氮化物、氮氧化物中的一种或多种成分组合而成；其膜系结构通过膜层的材料组分变化与物理厚度调整，可组合为具有高效隔热与可见光低反射效果的复合功能薄膜(200)，当受紫外光或阳光照射时，光催化功能膜产生光致变色效应、表面吸附物氧化还原反应，实现光致变色调光、光催化自洁净多种功能。
7.进一步地，所述复合功能薄膜(200)的膜系结构由基材(sub) /l
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构成，其中膜层l
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组合为高效隔热功能膜，每层膜的物理厚度控制在300nm以内，l
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为光催化功能膜，膜层的物理厚度控制在1000nm以内；膜层l
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整体组合实现可见光波段具有较高透光率与低表面反射率、从近红外至远红外波段形成宽带截止的高效隔热功能、光催化光致变色、自洁净功能。
8.进一步的，所述复合功能薄膜(200)的膜系结构及膜层l
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的组合方式，由基材 (sub)/al2o3(1-100nm)/(ag cu)(1-30nm)/al2o3(1-200nm)/(ag cu)(1-30nm)/al
2 o3(1-100nm)/(gesete zno tio2 wo3)(1-1000nm)构成，其光谱特性曲线示意图如图2所示。
9.所述复合功能薄膜(200)的高效隔热功能膜l
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的膜系结构可独立使用，具有优良的可见光高透射、低反射与宽截止带阻隔红外线的高效隔热效果，由基材 (sub)/al2o3(1-100nm)/(ag cu)(1-30nm)/al2o3(1-200nm)/(ag cu)(1-30nm)/al
2 o3(1-100nm)5层依次叠加构成。
10.所述复合功能薄膜(200)的光催化功能膜可独立使用，由含有多种材料组分的(gesete zno tio2 wo3)(1-1000nm)构成。
11.进一步地，所述复合功能薄膜(200)既可以镀制在透明基材(100) 的一个表面上直接应用，也可以通过贴合或者不贴合与其他材料组合使用。
12.进一步地，所述复合功能薄膜(200)的膜系结构中高效隔热功能膜镀制在透明基材(100)的一个表面(101)上，光催化功能膜镀制在透明基材(100)的另一个表面(102)上。
13.进一步地，当透明基材(100)的一个表面(101)镀制有上述复合功能薄膜(200)时，另一个表面(102)镀制有增反射、减反射、滤光膜或其他光学功能薄膜。
14.本发明的独特性与采用上述技术方案的有益效果：
15.本发明与现有技术及已公开的专利和报道的不同之处在于：融合低辐射功能薄膜与光催化功能薄膜新技术，设计了标准膜系结构由透明基材 (sub)/高效隔热功能膜/光催化功能膜构成；膜层材料为包含w、m、v、 ti、zr、cr、zn、al、ni、ce、au、ag、cu、mg、si、ge、se、te的单质、合金、化合物及其氧化物、氮化物、氮氧化物中的一种或多种成分组合而成；更为具体的膜系结构由透明基材(sub)/l
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构成, 膜层l
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的物理厚度控制在300nm以内，膜层l
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的物理厚度控制在1000nm以内，通过膜层材料组分与物理厚度调整可实现具有不同功能与特性的低辐射高效隔热多功能薄膜，可适应不同技术规格与功能、不同使用场景与环境要求的系列产品设计开发；复合薄膜膜系结构相对简单，膜层材料为工业化生产的无机材料，性能稳定，制造的工艺技术成熟，可采用成熟的物理气相沉
积法(pvd)或化学气相沉积法(cvd)导入工业化规模生产快速推广应用。
16.与现有低辐射功能薄膜技术相比，不仅使产品综合性能得到有效改善与提升，同时其标准化膜系结构与可选择性组合的复合多功能新特色，可大大降低相关技术的研究开发费用，简化相关设备与制造工艺，大幅提升产品质量的在线控制水平，有效降低制造成本。本发明可适应于柔性基材的大面积高效沉积，不仅能解决现有大尺寸低辐射玻璃的装运难题，同时柔性低辐射高效隔热功能薄膜可直接粘贴现有玻璃窗口上，对加快该技术产品市场的应用延伸与扩展、促进低辐射功能薄膜的产业发展进步具有较为现实的意义。
附图说明
17.图1为本发明的结构示意图；
18.图2为本发明与现有技术的光谱曲线示意图。
具体实施方式
19.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。
20.下面结合附图描述现有技术存在的不足。
21.如图2所示，现有低辐射玻璃薄膜技术在可见光波段的透光率大多数为80％以下，不仅透过率不高，而且还普遍存在在近红外波段(1-2.5μm) 的截止深度不足，而这是阳光中热辐射的主要组成部分，因此将导致隔热效果有限；同时在阳光照射比较强烈的场景，又需要将可见光的透光率降低，在形成舒适的环境光照度同时需要阻隔强可见光带来的强热辐射，而现有低辐射玻璃薄膜技术无法实现。
22.下面结合附图描述本发明的具体实施例。
23.图1所示为本发明一种高效隔热的复合多功能光学薄膜，由透明基材 (100)和镀制或贴合在透明基材(100)上的复合薄膜(200)构成；所述复合功能薄膜(200)的膜系结构由透明基材(sub)/高效隔热功能膜/ 光催化功能膜构成，具体地由透明基材(sub)/l
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构成，其中，透明基材为玻璃或柔性透明基材，l
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为高效隔热功能膜， l
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为光催化功能膜。高效隔热功能膜与光催化功能膜的材料为包含w、m、v、ti、zr、cr、zn、al、ni、ce、au、ag、cu、mg、si、ge、se、te 的单质、合金、化合物及其氧化物、氮化物、氮氧化物中的一种或多种成分组合而成，每层膜的物理厚度均在1000nm以内。
24.为进一步说明本发明的膜系结构及膜层l
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的组合方式，实施例由基材 (sub)/al2o3(1-100nm)/(ag cu)(1-30nm)/al2o3(1-200nm)/(ag cu)(1-30nm)/al
2 o3(1-100nm)/(gesete zno tio2 wo3)(1-1000nm)构成，其光谱特性曲线如图2所示。
25.实施例中高效隔热功能膜l
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采用的介质材料为al2o3，红外波段低辐射金属材料为ag/cu合金，al2o3薄膜与基底结合牢固，与ag/cu合金膜层结合力良好；光催化功能膜l
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采用了独特的(gesete zno tio2 wo3) 复合材料组成，全部为无机材料，复合材料组成的宽禁带半导体功能薄膜对紫外光及可见光具有良好的光催化响应，产生的光生电子-空穴对具有很强的氧化与还原性，膜层内多种金属离子复合的光催化光致变色效应明显，所
含的tio2纳米粒子具有一定的光催化自洁净功能，膜层的机械与物化性能稳定，可逆性好，循环寿命长；膜系整体结构l
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的设计采用介质膜与金属膜组合的等效导纳法与诱导透射相结合的设计方法，通过消除由 l
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膜层组合的等效导纳反射，使ai2o3介质膜、ag/cu金属膜与l
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光催化功能膜的整体组合实现在可见光波段高透射率与表面低反射率，大大降低了agcu金属膜在可见光波段的强吸收，诱发出金属膜在可见光波段形成最大透射率的同时保留了其从近红外至远红外宽深截止的优良特性，不仅实现了较现有技术更好的可见光高透射率与截止红外线的高效隔热功能，同时整个膜系还具有现有技术无法实现的光催化光致变色功能和一定的光催化自洁净功能。
26.采用本发明的实施例与现有技术比较的光谱特性曲线示意图如图2所示：现有技术在工业化实施中，可见光波段的透射率普遍在80％以下，且存在较大的色偏(如偏蓝)导致透过玻璃观看物体的颜色失真、表面反射率普遍在5％-20％，较高的表面反射将给环境带来极大的光污染，近红外波段的峰值透光率普遍偏高(20％-30％)，近红外截止深度不足导致隔热效果不理想。本发明的实施例可见光的设计透射率大于91％，实际工业化生产可批量稳定控制在85％及以上，可见光表面反射率低于2％，近红外波段的峰值透光率小于10％，不仅较现有技术大大提升了综合性能，提供了更好更高效的隔热效果，同时其光催化光致变色功能膜在强光照射环境下其透光率可实现85％-50％动态透光范围变化调节。
27.所述复合功能薄膜(200)既可以镀制在透明基材(100)的一个表面上直接应用，例如低辐射功能玻璃；也可以通过贴合或者不贴合与其他材料组合使用，例如中空玻璃、汽车夹层玻璃、玻璃隔热贴膜。
28.所述复合功能薄膜(200)的膜系结构中高效隔热功能膜与光催化功能膜需要分立使用的场合，高效隔热功能膜镀制在透明基材(100)的一个表面(101)上，光催化功能膜镀制在透明基材(100)的另一个表面(102) 上，通过膜层厚度的适度调整，可实现与膜系l
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整体组合结构同等的光学特性。
29.当透明基材(100)的一个表面(101)镀制有上述复合功能薄膜(200) 时，另一个表面(102)镀制有增反射、减反射、滤光膜或其他光学功能薄膜。例如在需要既需要高效隔热又需要单向透视的场景，另一个表面 (102)需要镀制增反射膜满足使用要求；在需要对环境有更高透光率的场景，另一个表面(102)需要镀制减反射膜满足使用要求；在需要颜色装饰丰富等场景，另一个表面(102)需要镀制彩色滤光膜满足使用要求。
30.本发明的实施例膜系结构相对简单，膜层材料为工业化生产的无机材料，容易获取，既可以导入现有成熟的物理气相沉积法(pvd)或化学气相沉积法(cvd)规模化生产线实现工业化快速推广应用，也可以根据本发明的膜层结构进一步简化设计，开发工艺流程与工艺节拍相适应的全自动化磁控溅射镀膜生产线成套设备，实现更高效更高质量与更低成本的产品制造。在柔性基材上实施本发明，优选卷对卷(roll-to-roll)多靶磁控溅射连续卷绕镀膜设备制造。
31.以上显示描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之
内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。