智能窗
關注創建者：匿名 創建時間：2022-01-14
智能窗的實例教程
熱致變色智能窗具有低成本和零能量輸入的特性。基于水凝膠復合材料不僅可以調節陽光透過率，還可以提高材料的機械和熱響應速度，然而現階段智能窗主要注重調節透光能力，在太陽光調控的過程中，太陽輻射的能量被浪費。
日前，中國石油大學（北京）徐泉教授團隊設計并制備了一款高太陽能調制能力和自發電的能量生成系統結合的顛覆性新型智能窗（Energy saving and energy generation-ESEG智能窗）。ESEG智能窗由多層百葉太陽能電池結構，溫控變色的主客體水凝膠、以及氧化銦錫(ITO)玻璃相結合的結構，兼具節能和發電能力（ESEG智能窗），此款智能窗制造簡單、可規模化生產，最重要的是具有儲能、節能、主動控制、防凍一體化功能，商業化前景廣闊，相關成果已發表于Advanced Science，2022，202105184。
圖1. (a)節能儲能一體化智能窗的多層百葉結構；(b) 主客體熱致變色水凝膠（HGT水凝膠）的機理示意圖和0.15 m2窗戶在不同溫度下50×30 cm測試的光學照片；(c) 不同環境下的節能儲能一體化智能窗示意圖；(d) ESEG不同視角的光學照片。圖片來源：Advanced Science
主客體熱致變色水凝膠（HGT水凝膠）由透明熱穩定 (PAM-PAA) 水凝膠基質，及熱響應羥丙基纖維素 (HPC) 微粒制成。在臨界溶解溫度 (LCST) 以下，HPC 在 PAM-PAA 基質中分布良好，并與周圍的水分子形成氫鍵，此時 HGT 水凝膠是透明的。
展開 面向應用，VO2智能窗仍需突破相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率和輻射系數等的相互耦合影響的問題。這些智能窗應用方面的重要參數總是此消彼長（圖3），如何獲得整體均衡性能是重要的發展方向。
圖3.VO2的熱致變色性能(相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率)總結
這篇綜述系統總結了VO2熱致變色智能玻璃的研究進展。包括原子尺度的缺陷，摻雜，晶格力，和微納米尺度內結構（圖4）的對于其相變和光學性能的影響，討論了基于該材料的多功能智能玻璃的進展。
圖4. 微納米尺度結構設計提升VO2的熱致變色性能
盡管基于VO2的智能節能窗材料在近十年取得了顯著進步，但是未來仍然面臨許多挑戰。文章系統性地，以多尺度的視角，從電子結構、原子結構、納米尺度、微米尺度、到宏觀節能效率，綜述了VO2材料在智能窗上的最新研究進展，并提出為了將該技術更好的推廣和廣泛應用，需要重點關注如下幾個問題：
如何平衡相變溫度、可見光透過率、太陽能調控效率這幾個參數；
如何調整VO2的顏色，使其更加符合人們的審美習慣；
如何調整VO2的熱發射率；
如何提高VO2的穩定性；
VO2的毒性評價。
上海大學崔苑苑和南洋理工大學柯宇杰為論文的共同第一作者，上海大學高彥峰和南洋理工大學龍祎為該論文的共同通訊作者。相關系列研究獲得了新加坡Nationalresearch foundation、新加坡教育部、中國國家自然科學基金、中國科技部和上海市科委等的大力資助。
展開 由于制備簡單且成本低，PDLC在動態光學調節窗、建筑墻壁、投影屏幕等方面得到了廣泛的應用。實際上，PDLC的聚合物基體在紅外區域具有特殊的化學鍵振動，有望在大氣窗口范圍內產生穩定的紅外熱發射，這在過去的研究中顯然被忽視了，有待于進一步的探索。
中國PDLC薄膜的工作原理示意圖
02
成果掠影
近日，北京大學楊槐教授與湘潭大學謝鶴樓教授合作，通過分子設計，在傳統的PDLC基體中引入具有中紅外發射能力的可聚合單體并調控基體的微觀結構，首次提出了一種電控PRC智能窗，在單一薄膜中同時實現了被動輻射冷卻和太陽光調制。通過給定電壓控制入射太陽光的總量，以毫秒級的響應能力實現了熱量的按需多級管理 。該工作有望為先進光學器件和節能設備的設計提供新的啟示。相關研究成果以“
Ultrafast Switchable Passive Radiative Cooling Smart Windows with Synergistic Optical Modulation”為題發表于《Advanced Functional Materials》。
03
圖文導讀
圖1 a)中國PDLC薄膜的制備工藝示意圖。b)用于制備PRC PDLC薄膜的中紅外發射單體的吸收光譜。
展開 二氧化釩（VO2）是一種具有熱致相變特性的過渡金屬氧化物，在68℃附近可發生由金屬態到半導體態的可逆相變，同時伴隨著光學、電學等性質的突變，因而在智能窗、激光防護膜、信息存儲、溫度傳感器以及光轉換器件等諸多領域存在應用價值。近年來，節能技術受到越來越多的關注，因而VO2薄膜作為一種無需消耗其它能量，僅根據溫度變化就可控制太陽光透過率的智能窗鍍膜材料，成為領域內的研究熱點。從實際應用角度講，智能窗用VO2薄膜還存在一系列問題，主要有薄膜可見光透過率較低、太陽能調節率不理想、本征的棕黃色在實際使用過程中視覺效果較差等。
針對VO2熱致變色薄膜存在的問題，中國科學院理化技術研究所微納材料與技術研究中心設計并制備了一種可高效精準控制合成的SiO2/TiO2/VO2三層空心納米球（TLHNs）和基于TLHNs的多功能涂層。其中內層氧化硅具有良好的減反性能，中層的氧化鈦具有光催化自清潔的性能，最外層的氧化釩具有良好的熱致變色效果。TLHNs涂層的低溫積分透光率為74%，太陽能調控效率為12%，在同類型多功能薄膜中為性能最優。此外，研究人員還提出了一種巧妙的計算模型，可以快速獲得復雜納米粒子組裝涂層的有效折射率(neff)。計算和實驗結果表明，相較致密平整的VO2涂層，該工作提出的三層空心結構能夠顯著降低涂層在可見光區域的折射率（600 nm處由2.25降低至1.33）和反射率（平均反射率由22.3％降低至5.3％）。
(a) VO2和SiO2/TiO2/VO2 TLNHs涂層的高低溫透光率曲線，(b)/(c) TLNHs涂層的節能效果測試圖
這項工作為制備同時具有減反增透、自清潔和熱致變色三功能的復合涂層提供了新思路。
展開 6、超級石墨烯玻璃的應用
圖13 “超級石墨烯玻璃”的多種應用
a）石墨烯玻璃基液晶調光智能窗示意圖；
b）基于石墨烯玻璃制作的液晶調光智能窗實物圖；
c）石墨烯玻璃基液晶調光智能窗透過率隨施加電壓的變化曲線。插圖顯示了基于石墨烯玻璃的智能窗的響應時間；
d）石墨烯玻璃基電阻式觸摸屏示意圖；
e）石墨烯玻璃基觸摸屏工作實物照片；
f）石墨烯玻璃基觸摸屏的線性測試；
g）石墨烯藍寶石玻璃基藍色LED示意圖；
h）LED結構的暗場圖像，g = 0002.；
i）在有和沒有石墨烯的藍寶石玻璃上制造的LED的發光功率隨注入電流變化曲線。
7、總結和展望
圖14 在產量和質量方面，不同生長方法的的比較
根據石墨烯結晶度（G），生長速率（R），均勻性（U），成本（C）和可放量性（S）評估每類生長方法。 標記為1,2和3的每個環分別表示低，中和高水平。
【總結與展望】
應該強調的是，這對于“超級石墨烯玻璃”的實際應用來說只是一個良好的開端。在目前階段，玻璃襯底上高質量石墨烯的CVD生長仍存在很多挑戰，“超級石墨烯玻璃”的理論與現實之間仍然存在很大差距。對于未來的實際應用，需要開發特定玻璃襯底的生長技術和批量生產設備。此外，對于“超級石墨烯玻璃”的應用研究是重要的的，例如觸摸板、智能窗、透明加熱器、光學元件和傳感器、生物相容性玻璃器皿等。相信隨著石墨烯玻璃生長技術的突破，在不遠的將來“超級石墨烯玻璃”有望成為石墨烯的撒手锏級應用。
來源：材料人
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智能窗的最新內容
? 狹縫模擬
（a）極坐標圖
（b）顏色輪廓
（c）衍射強度
? 液晶相位光柵模擬
（d）TRN數據 （e）極坐標圖
（f）衍射效率
（g）圖像分析
? 智能窗
（h）液晶指向矢分布和相位差曲線 （i）衍射效率，POM圖像，以及衍射圖樣
[1] C.-H. Han, T.-H. Choi, W.-S. Kim, S.
□ 狹縫模擬
（a）極坐標圖
（b）顏色輪廓
（c）衍射強度
□液晶相位光柵模擬
（d）TRN數據 （e）極坐標圖
（f）衍射效率
（g）圖像分析
□智能窗
（h）液晶指向矢分布和相位差曲線 （i）衍射效率，POM圖像，以及衍射圖樣
[1] C.-H. Han, T.-H.
中國PDLC薄膜的工作原理示意圖
02
成果掠影
近日，北京大學楊槐教授與湘潭大學謝鶴樓教授合作，通過分子設計，在傳統的PDLC基體中引入具有中紅外發射能力的可聚合單體并調控基體的微觀結構，首次提出了一種電控PRC智能窗，在單一薄膜中同時實現了被動輻射冷卻和太陽光調制。
（VK-V01）幾種主要應用：
1、智慧窗
是一種由基材(玻璃或某他透明材料等)和調光物質所組成的光學器件,它能在一定的物理化學因素(如光照、電磁輻照、電場、氣體、溫度)激發下，在太陽光譜的某些區段發生著色或褪色反應，引起調光物質光學特性改變，從而光譜選擇性地吸收或反射太陽輻射，達到屏蔽紫外線、調節進入室內陽光強度和室內外的熱交換、降低制冷制熱能耗和減少碳排放等目的.根據其激勵方式的不同,智能窗可分為熱致色變
日前，中國石油大學（北京）徐泉教授團隊設計并制備了一款高太陽能調制能力和自發電的能量生成系統結合的顛覆性新型智能窗（Energy saving and energy generation-ESEG智能窗）。
本文期待STD憑借其低TCR、強自附著性、機械靈活性和光學透明性，能夠促進具有動態和高度不均勻表面的先進熱傳輸設備的開發，包括智能窗、柔性加熱器、可穿戴式熱療、熱觸覺和能源設備。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c03587
相關進展
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南京大學張秋紅、賈敘東團隊/斯坦福鮑哲南教授合作《AFM》：超高柔韌性的水凝膠應用于熱致變色智能窗
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一般情況下，大家比較經常接觸的是——智能節能窗（智能玻璃）、信息顯示器、汽車防眩目后視鏡、信息儲存器等。
汽車防眩目后視鏡
在國防和軍事領域，電致變色材料也是有著很廣泛的應用市場。例如，電致變色材料因具有紅外發射可調特性（在中遠紅外光譜）可制成新型紅外發射器件。據專家介紹，該種新型發射器可以應用于衛星、武器裝備的紅外隱身等諸多領域。
6、超級石墨烯玻璃的應用
圖13 “超級石墨烯玻璃”的多種應用
a）石墨烯玻璃基液晶調光智能窗示意圖；
b）基于石墨烯玻璃制作的液晶調光智能窗實物圖；
c）石墨烯玻璃基液晶調光智能窗透過率隨施加電壓的變化曲線。
基于納米線組裝體的柔性電子設備表現出優異的性能的原因主要來自四個方面: 1）有序的納米線組裝體的相互連接更加均勻充分，導電性能更加優異；2）有序的納米線組裝體具有更好的均勻性，因此其表現出來的性能不會因為測試點不同而不同，例如，具有設計的NW結構的柔性透明智能窗的均勻性遠遠高于噴涂法常規的無序的NW膜；3）基于有序納米線組裝體的柔性電子器件的性能更加容易調節和控制例如，我們知道電導率和透射率是柔性透明電極的兩個相反因素
