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(guó)科學(xué)家C.M.Lampert和瑞典科學(xué)家C.G.Granqvist等提出來(lái)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(dòng)態(tài)、可逆、任意地對(duì)通過(guò)窗戶的陽(yáng)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(yáng)光控制節(jié)能窗戶。在國(guó)外有許多實(shí)驗(yàn)室對(duì)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(dòng)式致色材料，只有在外界條件如光強(qiáng)、溫度發(fā)生變化時(shí)才會(huì)發(fā)生致色現(xiàn)象，人們無(wú)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(dòng)式功能材料，其光學(xué)特性（如透射率、顏色）可通過(guò)周圍環(huán)境的變化，通過(guò)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(shí)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(chǎng)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(shí)上，日常生活中我們見過(guò)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(diǎn)不實(shí)用。如在夏天，陽(yáng)光

3、較為強(qiáng)烈，窗戶能透過(guò)較多的光線，而在更需要陽(yáng)光的冬天，能透過(guò)的光線反而較少。不過(guò)光致變色還有應(yīng)用于光存儲(chǔ)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(chǎng)的作用下，通過(guò)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(guò)外界較低的驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)可逆的顏色變化。作為電致變色材料實(shí)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(shí)踐中的應(yīng)用價(jià)值。2、電致變色基于電致變色的主動(dòng)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(bào)道。20世紀(jì)60年代，Plant在研究有機(jī)染料時(shí)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(wú)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(wú)機(jī)電致變色材料的報(bào)道。80年代末以來(lái)，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(gè)日益活躍的研究領(lǐng)域。這期間，美國(guó)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(gè)里程碑。1999年，Stadt Sparkasse 儲(chǔ)蓄銀行為德國(guó)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(guó)倫敦的瑞士再保險(xiǎn)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(yáng)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(guó)圣戈班集團(tuán)宣布進(jìn)軍“智能窗”市場(chǎng)。200

6、9年10月，國(guó)內(nèi)首個(gè)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(mèng)幻客機(jī)試飛成功。2.2電致變色其實(shí)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(shí)間短；顏色變化靈敏度高；較長(zhǎng)的循環(huán)壽命；開路記憶時(shí)間長(zhǎng)；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(guó)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(chǔ)存層、透明導(dǎo)電層。電致變色是在電場(chǎng)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(wú)輻射、寬視角、開路記憶等特點(diǎn)，近年來(lái)許多國(guó)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(chǔ)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(dòng)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(diǎn)，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(guó)等已經(jīng)對(duì)電致變色器件的節(jié)能效果展開評(píng)價(jià)，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(duì)辦公環(huán)境和其他公共環(huán)境的要求也越來(lái)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(shí)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(chǎng)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(yáng)光較強(qiáng)烈、輻射較大時(shí)，則讓窗戶處于著色狀態(tài)，而當(dāng)外界太陽(yáng)光比較弱或是陰天時(shí)，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(shuō)智能窗是一個(gè)無(wú)源的超級(jí)太陽(yáng)能空調(diào)。 2.4.2全自動(dòng)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(huì)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(gè)問(wèn)題，1987年，美國(guó)鏡泰公司推出了第一款電致變

9、色的自動(dòng)防眩目?jī)?nèi)后視鏡，也就是現(xiàn)在經(jīng)常能看見的自動(dòng)防眩目后視鏡的開山鼻祖。自動(dòng)防眩目后視鏡的鏡體上有一個(gè)光線感應(yīng)器，通過(guò)其采集的信號(hào)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(zhǎng)時(shí)間觀看也不會(huì)引起人眼疲勞。它另一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是無(wú)視盲角，現(xiàn)在流行的液晶顯示器必須在一個(gè)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(méi)有這個(gè)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)、使用壽命低等問(wèn)題，還沒(méi)得到更

10、好的應(yīng)用。2.4.4電致變色存儲(chǔ)器電子紙 由于電致變色材料的變色過(guò)程往往需要離子的摻雜與脫摻雜，當(dāng)通過(guò)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(huì)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(chǔ)器，可以用來(lái)存儲(chǔ)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(diǎn)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(duì)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(chǎng)上紅外偽裝材料以對(duì)抗夜間可視武器裝備，近年來(lái)受到美、英、法等軍事

11、工業(yè)強(qiáng)國(guó)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(shí)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(guò)研制智能電致變色服裝，也就是所謂的變色龍服飾來(lái)提供戰(zhàn)士的偽裝。隨著功能高分子材料、紡織科技和計(jì)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(huì)步入實(shí)用化階段。智能電致變色服裝通過(guò)控制電場(chǎng)或電流來(lái)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(guó)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(jià)值。人們?cè)O(shè)想通過(guò)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(shí)保護(hù)和偽裝自己。美國(guó)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(guó)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(duì)。2011年1月，美國(guó)大眾科學(xué)雜志曾報(bào)道，英國(guó)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(lái)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(huì)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