浅谈对VO2智能窗的认识

杨鹏

摘要：VO2 是一种典型的热致变色材料，在 68°C 附近会出现具有可逆性的金属-半导体相变，并随着光学性能的变化，对近红外波段由低温时的高透 过率变为高温时的高反射状态。利用这种热致变色性质，可以研发 VO2 智能温控节能窗，实现对太阳能的自动调控，在建筑节能领域体现出巨大的应用前 景。

关键词：二氧化钒;智能窗;节能

引言

随着工业化的逐步推进，引发了一系列环境问题，例如电力消耗的增 加、二氧化碳的排放以及大气中污染物的形成。要想解决这些能源和环境 问题，我们在不停地寻找一种方式，平衡能源利用效率与减少能源消耗之 间的矛盾。

查阅相关资料，我们知道，建筑能耗在社会总能耗中占比 30%以上。在建筑结构中，与外界环境进行热量交换可以通过墙壁、屋顶、门窗等结 构进行，其中窗户是热量交换的主要部件。有测试结果表明，对于大多数 建筑所使用的单层玻璃窗户，在冬天时向外传递的热量约占总热量 58%，在夏天时向内传递的热量约占总热量的 73%。此外，目前一线城市所大规 模使用的建筑玻璃幕墙，虽然具有美观与实用的价值，但由于大面积玻璃 与外界产生的热交换，使其所产生的建筑能耗同比增加。因此，要想降低 建筑能耗，對于建筑玻璃的改造是一条可行路径。

自上世纪 60 年代起，美国及欧洲的一些国家开始对建筑玻璃的节能技 术展开研究，取得了一系列的成果。但这些玻璃只能对红外线进行被动反 射，或者由于其低传热系数单纯的起到室内保温隔热效果，无法随环境条 件变化而进行调节，VO2 智能窗玻璃应运而生。

VO2 智能窗可以对光、电、热等外部条件的刺激做出响应，改变不同波 段光的透过率来控制透过玻璃进入建筑内部的太阳辐射能量，从而起到调 控室内温度的作用。智能窗依据工作原理大致有电致变色、光致变色以及 热致变色三种。其中，电致变色和热致变色是实现建筑节能的两种主要方 式，热致变色智能窗具有结构简单、成本低廉、全自动光热调控的优势，且能够对温度直接响应，是下一代智能窗的首选。

1 VO2 智能窗工作原理及节能效果

1.1 工作原理

如图 1.1 所示，智能窗工作系统在温度低于热致变色材料的转变温度 时，大多数可见光和近红外辐射能够顺利透过热敏材料层，从而满足室内 采光要求;当温度高于热致变色材料的转变温度时，可见光能顺利透过以 满足采光要求，而近红外辐射一部分将会被吸收，另一部分将会被反射，达到限制能量进入的目的。

1.2 节能效果

VO2 智能窗在低温和高温作用下，红外光区的通过率会发生明显的变 化。具体表现为 VO2 在高温时从 M 相变化到 R 相，对红外光线有反射作用，国内外学者常用光度计来测试这种通过率，利用可见透过比和热调控能力 这两个基本参数来评价智能窗的节能环保性能。

从某种意义上来说，只有满足智能窗的可见透过比 Tlum 不小于百分之 六十，且同时满足 VO2 薄膜的热调控能力△Tsol不小于百分之十，才算该智 能窗达到节能的标准。Tlum和△Tsol可以利用下面这个公式来计算：

2 VO2 薄膜制备与不足

自从发现 VO2 的可逆相变性质以来，国内外学者对其进行了广泛的探 索，关于 VO2 的制备方法也有了系统的研究，到如今制备 VO2 薄膜的方法 已经十分成熟。下面将谈谈几种常用的制备方法及原理，顺便谈谈我所认 为其存在的不足之处。

2.1 制备方法

2.1.1 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是将无机盐水解，产生稳态的溶胶，再经过一段时间无机 反映，胶粒之间慢慢堆积，再将其干燥得到凝胶，并不断研磨，得到目标 产物的方法。这个方法的制备仪器简单易于上手、溶胶纯度非常高，但是 实验周期过长，且能耗较高。

2.1.2 水热法

水热法可以获得粒度分布匀称、粘结水平低、晶格完整、形貌多样、 纯度特别高的粉体。其可调节的实验参数有很多，通过改变原材料种类和 配合比、水热反应温度、反应时间、溶液酸碱值、填充率等参数可以得到 不同形貌、性能的产物。当然，水热法也存在周期长，产率低，污染大等 缺点，这也导致难以用该方法进行大规模工业化生产。

2.1.3 化学气相沉积法

化学气相沉积法是指在溶液里离子相互反应，产生沉淀，再将沉淀煅 烧，研磨得到目标产物。该方法容易制得所需的前驱体，产品的整体性易 控制，但工艺周期长，污染环境，产率低，这些问题都不可避免。

2.2 存在的不足

使用纯相的 VO2 是不实际的，在 VO2 薄膜被实际推广应用之前，我认 为有以下两个问题需要解决：

一是 VO2 的“半导体-金属”转变温度是 68 摄氏度，假如想要在常温条件 下利用 VO2，则必须使转变温度下降到常温范围;二是 VO2 的透光率太低。一 般所制备的二氧化钒薄膜在可见光区域的透过率为 40%左右，相对比较低，因 此如果想将其广泛应用于智能窗材料，必须提高它们的可见光透过率。

3 VO2 薄膜的应用研究

虽然目前没有对 VO2 相变机理的统一解释，但是它较好的相变性质还 是大众普遍接受的。由于 VO2 相变温度接近室温，且随着相变产生，它的 光、电、磁学性能均可发生可逆的突变，有很高的应用前景。包括但不限 于记忆材料、传感器、制动器、光电探测器、光电开关、激光防护、红外 热敏电阻材料、智能包装等领域的应用。

4 总结与展望

本文主要从 VO2 智能窗工种原理、节能效果、薄膜制备与应用等方面 浅谈了自己的认识，旨在引起国内更多学者产生兴趣并投入到该领域更深 层次的研究，以缩小与国外的水平差距。随着建筑发展的智能化和现代化，制备出符合要求的 VO2 智能窗将显得尤为迫切，我相信在不久的将来它在 建筑节能等领域会有更巨大的应用前景。

参考文献：

[1]王超，赵丽，王世敏，董兵海，万丽，许祖勋，梁子辉，宋成杰.二 氧化钒薄膜智能窗的研究进展[J].材料导报，2017，31（S1）：257-262+272.

[2]陈云翔.复合结构二氧化钒基纳米粉体制备及性能研究[D].中国科学 院大学（中国科学院上海硅酸盐研究所），2020.

[3]张乐乐.钆、锆、钕元素掺杂对二氧化钒粉体结构及相变性能的影响 研究[D].西安建筑科技大学，2020.

[4]汤永康.有机溶胶—凝胶法制备 VO2 薄膜及其性能研究[D].安徽理工 大学，2014.

[5]徐强.智能窗玻璃用掺杂二氧化钒纳米粉体的固相合成及表征[D].南 昌大学，2020.