靈巧窗[谷風(fēng)技術(shù)]

1、靈巧窗 電致變色靈巧窗（smart window）是在1990年美國科學(xué)家C.M.Lampert和瑞典科學(xué)家C.G.Granqvist等提出來的。靈巧二字的含義是窗戶的性能能隨著環(huán)境的變化作出變化。致色性靈巧窗能夠動態(tài)、可逆、任意地對通過窗戶的陽光進(jìn)行智能化控制，可廣泛應(yīng)用于建筑、汽車宇宙飛船等作為高能效陽光控制節(jié)能窗戶。在國外有許多實驗室對其進(jìn)行了研究，并有商業(yè)化的產(chǎn)品。1、靈巧窗的分類通常，致色性靈巧窗分為熱致變色、光致變色、電致變色和氣致變色等幾種。從作用方式上講，光致變色和熱致變色是一種被動式致色材料，只有在外界條件如光強(qiáng)、溫度發(fā)生變化時才會發(fā)生致色現(xiàn)象，人們無法靈活調(diào)控。而電致變色材

2、料和氣致變色材料則是主動式功能材料，其光學(xué)特性（如透射率、顏色）可通過周圍環(huán)境的變化，通過調(diào)控，使材料的光學(xué)特性發(fā)生連續(xù)、可逆地變化，從而實現(xiàn)光密度連續(xù)可調(diào)。1.1熱致變色 熱致變色靈巧窗，顧名思義，是由于熱導(dǎo)致窗戶改變它們的性質(zhì)。市場上有產(chǎn)品“云凝膠（cloud gel）”，隨著溫度的變化，其能夠變得清晰透明，或者變模糊。還有一些使用熱致變色材料做的杯具，可以智能的顯示飲用水的溫度并且十分美觀。 熱致變色可以是可逆的也可以是不可逆的。事實上，日常生活中我們見過不可逆的熱致變色，如煮熟的大閘蟹變成紅色的了。1.2光致變色光致變色靈巧窗是根據(jù)光線強(qiáng)度的不同而變色。但是這有點不實用。如在夏天，陽光

3、較為強(qiáng)烈，窗戶能透過較多的光線，而在更需要陽光的冬天，能透過的光線反而較少。不過光致變色還有應(yīng)用于光存儲的前景。1.3電致變色電致變色（Eletrochromism）是指材料在交替的高低或正負(fù)外電場的作用下，通過注入或抽取電荷（離子或電子），從而在低透射率的著色狀態(tài)和高透射率的消色狀態(tài)之間產(chǎn)生可逆變化的特殊現(xiàn)象，在外觀性能上則表現(xiàn)為顏色及透明度的可逆變化。電致變色器件(Electrochromic device , ECD)是將電致變色材料和離子電解質(zhì)應(yīng)用在導(dǎo)電透明電極上，形成一種典型的光學(xué)薄膜和電子學(xué)薄膜相結(jié)合的光電子器件，通過外界較低的驅(qū)動電壓來實現(xiàn)可逆的顏色變化。作為電致變色材料實現(xiàn)其功

4、能的載體，電致變色器件的性能最終決定了變色材料在人們生活實踐中的應(yīng)用價值。2、電致變色基于電致變色的主動可控性，本文主要講電致變色。2.1電致變色的發(fā)展史早在20世紀(jì)30年代就有關(guān)于電致變色的初步報道。20世紀(jì)60年代，Plant在研究有機(jī)染料時發(fā)現(xiàn)有電致變色的現(xiàn)象，并進(jìn)行了研究。1969年，S.K.Deb首次使用無定形WO3薄膜制備了電致變色器件，并提出了“氧空位色心”機(jī)理。20世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了大量有關(guān)電致變色機(jī)理和無機(jī)電致變色材料的報道。80年代末以來，新型有機(jī)電致變色材料合成和電致變色器件的制備成為一個日益活躍的研究領(lǐng)域。這期間，美國科學(xué)家C.M.Lampert和瑞典科學(xué)家C.G.G

5、ranqvist等人提出了以電致變色膜為基礎(chǔ)的一種新型節(jié)能窗，即靈巧節(jié)能調(diào)光窗（Smart window），成為電致變色研究的另一個里程碑。1999年，Stadt Sparkasse 儲蓄銀行為德國德累斯頓的一座新建筑物。這座大樓擁有歐洲第一面用電致變色玻璃制成的可控制外墻。2004年1月，英國倫敦的瑞士再保險大廈玻璃幕墻使用電致變色技術(shù)。2005年1月，法拉利Superamerica敞篷跑車的擋風(fēng)玻璃和頂棚玻璃采用了電致變色技術(shù)。2008年7月，波音787客機(jī)客艙窗玻璃淘汰了機(jī)械式舷窗遮陽板，采用了電致變色技術(shù)。2009年8月，歐洲最大的玻璃制造商法國圣戈班集團(tuán)宣布進(jìn)軍“智能窗”市場。200

6、9年10月，國內(nèi)首個關(guān)于電致變色的綜合性網(wǎng)站電致變色網(wǎng)成立。2009年12月15日，波音787夢幻客機(jī)試飛成功。2.2電致變色其實際應(yīng)用應(yīng)該滿足以下技術(shù)要求良好的電化學(xué)氧化還原可逆性；顏色變化響應(yīng)時間短；顏色變化靈敏度高；較長的循環(huán)壽命；開路記憶時間長；化學(xué)穩(wěn)定性好。2.3電致變色器件結(jié)構(gòu)電致變色器件可視為電化學(xué)電池，結(jié)構(gòu)上是一種三明治式的多層電化學(xué)裝置，其中各層均以薄膜形式出現(xiàn)。電致變色器件的結(jié)構(gòu)發(fā)展到今天，被各國學(xué)者普遍接受的最典型的為層結(jié)構(gòu)，如圖所示。從下至上依次為透明導(dǎo)電層、電致變色層、電解質(zhì)層、離子儲存層、透明導(dǎo)電層。電致變色是在電場作用下變色層的材料發(fā)生顏色及光透射性能的改變。2.

7、4電致變色器件的應(yīng)用領(lǐng)域由于電致變色器件具有光學(xué)性能連續(xù)可調(diào)、低工作電壓、低功耗、無輻射、寬視角、開路記憶等特點，近年來許多國家都在研制基于電致變色現(xiàn)象的器件，主要有電致變色窗、電致變色儲存器、電致變色顯示器、智能調(diào)光汽車后視鏡、電子束印刷技術(shù)及傳感器、軍事偽裝服等。2.4.電致變色智能窗 電致變色智能窗可以自動調(diào)控顏色、調(diào)光和調(diào)溫，具有高效、低能耗、綠色環(huán)保、智能化的特點，大大減少了建筑物的能量負(fù)荷，符合當(dāng)前節(jié)能減排、低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求。目前，美國等已經(jīng)對電致變色器件的節(jié)能效果展開評價，結(jié)果顯示利用這種裝置可以節(jié)約能源。隨著人民生活水平的不斷提高，人們對辦公環(huán)境和其他公共環(huán)境的要求也越來越高

8、，建筑物的窗戶一般都配上各種各樣的窗簾。而電致變色玻璃實際上相當(dāng)于帶有可調(diào)窗簾的玻璃，由于具有可調(diào)性，電致變色玻璃還用于需要保密或隱私防護(hù)的建筑場所，由其制成的窗玻璃相當(dāng)于有電控裝置的窗簾一樣方便自如。當(dāng)外界太陽光較強(qiáng)烈、輻射較大時，則讓窗戶處于著色狀態(tài)，而當(dāng)外界太陽光比較弱或是陰天時，則讓窗戶處于褪色狀態(tài)，從而減少室內(nèi)溫控系統(tǒng)所消耗的能量，可以說智能窗是一個無源的超級太陽能空調(diào)。 2.4.2全自動防眩目汽車后視鏡 經(jīng)常駕車的人都知道，在夜間尾隨汽車的強(qiáng)光照射會使后視鏡產(chǎn)生令人炫目的反光，影響駕駛?cè)藛T的觀察力，從而造成嚴(yán)重的交通事故。為了解決這個問題，1987年，美國鏡泰公司推出了第一款電致變

9、色的自動防眩目內(nèi)后視鏡，也就是現(xiàn)在經(jīng)常能看見的自動防眩目后視鏡的開山鼻祖。自動防眩目后視鏡的鏡體上有一個光線感應(yīng)器，通過其采集的信號在內(nèi)置電腦板上進(jìn)行運(yùn)算，得出通電的大小，從而控制電致變色材料進(jìn)行調(diào)光。2.4.3電致變色顯示器 電致變色顯示器屬于非發(fā)射顯示，在強(qiáng)光照射下也容易。辨別，并且長時間觀看也不會引起人眼疲勞。它另一個優(yōu)勢就是無視盲角，現(xiàn)在流行的液晶顯示器必須在一個視角范圍內(nèi)（一般為45。90。）才能看到清晰的畫面，而電致變色顯示則完全沒有這個缺陷。除此之外，它的工作電壓低（一般都在2V以內(nèi)）、能耗低，安全性也更好。但目前限于變色材料種類較少，且響應(yīng)時間過長、使用壽命低等問題，還沒得到更

10、好的應(yīng)用。2.4.4電致變色存儲器電子紙 由于電致變色材料的變色過程往往需要離子的摻雜與脫摻雜，當(dāng)通過外界電壓使離子進(jìn)入變色材料之后，去除電壓后離子不會馬上脫出，這種現(xiàn)象被稱為電致變色器件的開路記憶特性，利用這一特性功能制作成電致變色存儲器，可以用來存儲和讀取信息，而且可以循環(huán)擦除和改寫。這種電子紙最大的優(yōu)點在于斷電后依然可顯示圖案，比現(xiàn)有的電子讀書器更節(jié)能、更環(huán)保。2.4.5軍事偽裝設(shè)備 電致變色材料由于對中紅外和遠(yuǎn)紅外具有固有的紅外發(fā)射特性，可制備成新型紅外發(fā)射器件，作為微型航天飛行器上的熱敏紅外傳導(dǎo)功能材料使用，也可用作戰(zhàn)場上紅外偽裝材料以對抗夜間可視武器裝備，近年來受到美、英、法等軍事

11、工業(yè)強(qiáng)國的高度重視并大力開發(fā)與研究。根據(jù)艦船、坦克、車輛在不同環(huán)境下的偽裝要求而采用電致變色材料，使武器裝備表面涂層既呈現(xiàn)不同的可見光迷彩偽裝顏色，同時也可利用紅外發(fā)射率不同而達(dá)到夜間和白天紅外偽裝的目的。 除了運(yùn)用在武器、設(shè)備上，人們還希望通過研制智能電致變色服裝，也就是所謂的變色龍服飾來提供戰(zhàn)士的偽裝。隨著功能高分子材料、紡織科技和計算機(jī)與信息技術(shù)的發(fā)展，使得智能電致變色服裝的出現(xiàn)不只是停留在構(gòu)思上，在不久將會步入實用化階段。智能電致變色服裝通過控制電場或電流來使衣服的顏色可以隨心所欲地改變。智能電致變色服裝目前在國際上尚處于初始研究階段，其在軍事偽裝上有重要應(yīng)用價值。人們設(shè)想通過隨身的按鈕，可以控制的軍裝局部或者整體的顏色，使其呈現(xiàn)出種不同顏色的組合，讓士兵在不同環(huán)境中都能隨時保護(hù)和偽裝自己。美國空軍已經(jīng)將電致變色材料作為熱敏紅外控制器件應(yīng)用在微型間諜通訊衛(wèi)星上。美國陸軍也已開始研制PE-DOT/PSS“變色龍”士兵服裝，并聲稱將這種服裝裝備于部隊。2011年1月，美國大眾科學(xué)雜志曾報道，英國航空航天公司（BAE）正在開發(fā)電子偽裝技術(shù)，用一種“電子墨水”來讓坦克“隱身”。坦克車體上安裝高度復(fù)雜的電子傳感器，將會把周圍環(huán)境的影像反向投影到車體外部，使其融入到周圍的景色中，以躲避攻擊。B