第四章电功能玻璃课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章电功能玻璃.,第四章电功能玻璃.第四章电功能玻璃.电致变色膜是在电流作用下引起氧化还原反应，从而导致颜色变化的材料。,常用电致变色膜有WO3、MoO3、NiO等无机材料以及聚苯胺等有机材料。,第四章电功能玻璃.第四章电功能玻璃.第四章电功能玻璃.,1,电致变色膜是在电流作用下引起氧化还原反应，从而导致颜色变化的材料。,常用电致变色膜有WO,3,、MoO,3,、NiO等无机材料以及聚苯胺等有机材料。,电致变色膜是在电流作用下引起氧化还原反应，从而导致,2,1、结构,玻璃表面镀电致变色膜（EC）时，必须镀透明电极（TC）、离子储存层（IS）和离子导体层（IC），组成一个膜系镀在玻璃上。根据膜层结构，智能窗通常分为堆垛式和夹层式两种结构，,1、结构,3,智能窗膜式结构,（a)堆垛式 （b）夹层式,TC1、TC2为透明电极膜，通常为ITO膜(In,2,O,3,中掺Sn导电膜)，EC为电致变色膜，IC为离子导体，起促进电致变色膜和离子储存层之间离子传递，而不存在电子传递过程；IS为离子储存层，在变色过程中起平衡电荷作用，具有可逆电化学性质。,智能窗膜式结构,4,两种结构特点,夹层式不是一整块玻璃，要在两块玻璃中间镀膜，结构比较复杂，可用多种镀膜方法制备，快离子导体层用一般有机物，寿命比较长。,堆垛式为一个整块，结构比较简单，只能通过低温镀膜法制备，快离子导体层用一般无机物，寿命比较短。,两种结构特点,5,1、电致变色原理,当堆垛式或夹层式膜系的透明电极TC1为阴极并通电时，变色膜WO,3,得到电极的电子e,和离子导电层的M,离子后，发生还原反应，由W,6,变为W,5,，价态的变化，使无色膜呈现蓝色，其反应如下：,还原,WO,3,xe x M,M,x,WO,3,（无色）,氧化,（蓝色）,式中：M,指Li,、Na,、或K,。,1、电致变色原理,6,WO,3,变色膜着色的深浅程度随施加的电场强度大小而改变。当电流方向改变时，WO,3,接触的导电膜为阳极，M,x,WO,3,放出e和M,，又恢复到无色的WO,3,薄膜。,WO3变色膜着色的深浅程度随施加的电场强度大小而改,7,1、电致变色膜层材料与镀膜工艺,电致变色膜用于智能窗时，必须具有一定的光学、电学性能和满足使用寿命的要求。,性 能,指 标,太阳光透过率T,S,/退色态,着色态,可见光透过率T,V,/退色态,着色态,变色转换电压/V,记忆时间/h,变色转换时间/s,循环次数/次,寿命/年,工作温度/,5070,1070,5070,1020,15,124,160,10,4,10,6,520,3070和070（如得到保护）,1、电致变色膜层材料与镀膜工艺 性 能 指,8,a.变色膜(EC)：,WO,3,膜可采用溶胶凝胶法、真空蒸发沉积法、阴极溅射法和化学气相沉积法进行镀膜。V,2,O,5,、Nb,2,O,5,、CeO,2,、TiO,2,、Fe,2,O,3,、SnO,2,及其相关复合物，均具有变色膜的性质。,b.电极膜(TC)：,除了采用ITO膜、SnO,2,掺Sb膜外，还可以用ZnO掺Al膜。ITO膜是变色玻璃中较好的电极膜，电阻为10/m,2,，比要求的电极电阻1/m,2,还是高了10倍。ZnO掺Al膜，电阻率为10,3,10,4,cm，化学稳定性与ITO膜相似，但成本低廉，有发展前途。,a.变色膜(EC)：WO3膜可采用溶胶凝胶法、真空蒸发沉,9,c.离子导体膜(IC)：,包括有机离子导体和无机离子导体两种。,有机离子导体可采用固体或液体基质溶解Li+盐，液体基质的代表为,丙烯碳酸酯,（PC）与Li+结合比较稳定，但PC会分解为丙烯和CO,3,2-,，与Li+反应生成溶解度小的Li,2,CO,3,。固态基质有,聚乙烯氧化物,（PEO）和,聚丙烯氧化物,（PPO）以及LiClO,4,、三氟甲基磺酸锂LiCF,3,SO,3,与三氟甲基磺酸亚胺LiN（SO,2,CF,3,）,2,等。,无机电解质有快离子导体（如Na,1+x,Zr,2,Si,X,P,3-X,O,12,）和具有隔热性能的离子传导型氧化物，如ZrO,2,（含H,2,O）、Al,2,O,3,（含Na,+,）、PbF,2,等。,c.离子导体膜(IC)：包括有机离子导体和无机离子导体两,10,d.离子存储层(IS):,可采用V,2,O,5,、IrO,2,和TiO,2,-CeO,2,膜。V,2,O,5,膜用阴极溅射法、真空蒸发沉积法和溶胶凝胶法进行镀膜，TiO,2,-CeO,2,膜可采用溶胶凝胶法，IrO,2,膜则采用磁控阴极溅射法镀膜。,d.离子存储层(IS):可采用V2O5、IrO2和TiO2,11,4.2 延迟线玻璃,4.2.1延迟线玻璃的构造及超声延迟原理,1、,延迟线玻璃的构造,4.2 延迟线玻璃4.2.1延迟线玻璃的构造及超声延迟原,12,由上图可知，延迟线玻璃元件是由压电换能器(锆钛酸铅）与延迟媒介质（玻璃）构成的。,2、原理,进入输入端换能器的电信号，通过换能器变成弹性波，该弹性波在延迟媒介质传播一定距离（l）后，再一次通过输出端换能器将弹性波变成电信号，使该电信号得到延迟(几十到一千微秒)，这种元件是利用超声波在介质中的的传播速度比电磁波小（约为十万分之一）的原理做成的。所谓超声延迟玻璃就是作这种延迟媒介质的玻璃。,由上图可知，延迟线玻璃元件是由压电换能器(锆钛酸铅,13,信号的延迟时间可表示为：,L/v,式中：L表示传播距离，,v表示玻璃中超声波的传播速度。,为了得到所定的，应使式中的L增加，但为了不至于使玻璃的体积增加，通常是将延迟线玻璃设计成具有几个反射面的形式，使超声波信号再玻璃中反射几次之后再到达出口。,信号的延迟时间可表示为：,14,3、应用,在欧洲、中东及南美等国家，以逐行倒相式（帕尔PAL）及顺序与存储式（塞康SECAM）制式生产彩色电视机和磁带录像机。为了改善电视机色度信号的图像质量，使用了超声延迟玻璃元件。,3、应用,15,在彩电的播放中，图像信息是将它分成表示亮度（黑白）的信号和表示图像颜色的红和蓝两种色差信号来发射的，绿色信号是由亮度信号减去红和蓝色信号而剩下的部分。这两种色差信号的发射以及接收方式是随所采用的电视制式不同而不同的。在日本及美国所采用的方式（,NTSC制式,）中，因为两种色差信号是同时由两种独立的副传送波传送的，所以在接收机方面只要以所接收的形式将它们合成，就能将图像的色彩再现于屏幕，故不需要延迟线。,在彩电的播放中，图像信息是将它分成表示亮度（黑白）,16,反之，在,塞康（SECAM）制式,中，两种色差信号是以一个扫描周期（64微秒）为间隔用一个副传送波交替发射的，从而在接收机方面，为了将图像的颜色再现，必须将某一瞬间所接收到的色差信号延迟64微秒，再将它与随后接收到的色差信号合成，这样就需要延迟线。,反之，在塞康（SECAM）制式中，两种色差信号,17,在,帕尔（PAL）制式,中，对于每隔一扫描周期将位相倒转而独立地发射的两个色差信号，将各色差信号分别延迟一个扫描周期，再把它加到随后接收的信号，对位相的偏转进行校正以改善图像的质量，为此也需要延迟线。在录像机的放像过程中，为了除去由于高密度存储而引起的串信（相邻记录槽的信号混杂）以提高色度信号的质量，也利用延迟线玻璃。,在帕尔（PAL）制式中，对于每隔一扫描周期将位相倒,18,4.2.2 对超声延迟线玻璃的要求,1、有极小的温度系数,要求在彩电的使用温度范围（2060）内，延迟时间不随温度而变化，即延迟时间随温度的变化系数要接近于零。,塞康制延迟时间随温度T的相对变化(d/dT)/应小于4010,6,/；,帕尔制要求更小，(d/dT)/小于210,6,/。这是为了避免由温度变化引起颜色分辨率的变化。,4.2.2 对超声延迟线玻璃的要求,19,2、体积小，声速传播速度慢,在固体内，声波的传播模式有纵波和横波两种，横波的传播速度大约是纵波的一半，延迟线玻璃采用横波传输，这样能以较短的传输距离（L）得到较大的延迟时间（），使延迟元件小型化。,3、即使输出功率大，超声衰减要小,4、有良好的稳定性（性能不随时间变化）,表面便于蒸镀金属膜，并有良好的化学稳定性。,2、体积小，声速传播速度慢,20,4.2.4 超声延迟线玻璃组成的选择和特性,因元件结构小，超声波（横波）在延迟线玻璃中的传播速度是个重要特性。横波的传播速度v（G/）,1/2,，式中G是刚性模量，是密度。,要使横波的速度v小，必须使玻璃密度大。,4.2.4 超声延迟线玻璃组成的选择和特性,21,选择密度大的氧化铅和氧化铋等阳离子半径大的氧化物有效；,碱金属和碱土金属氧化物中，阳离子半径大的横波的速度v小。,要减少声波传输损耗，应控制Na,2,O的含量；,要得到接近零温度系数的玻璃，必须含有适量的SiO,2,（它使温度系数向负方向变化，而其它氧化物则向正方向变化，合理调整成分可获得零温度系数的玻璃。）,选择密度大的氧化铅和氧化铋等阳离子半径大的氧化物有效；,22,成分,SiO,2,B,2,O,3,K,2,O BaO ZnO Al,2,O,3,Sb,2,O,3,WO,3,As,2,O,3,含量,5063 05 515 1025 512 03 02 03 02,从弹性波在玻璃中的延迟时间长、弹性波的衰减与随时间变化小的角度来看，多选用K,2,OBaO（PbO）ZnOSiO,2,系统。,玻璃的配方（wt%）,成分SiO2 B2O3 K2O BaO,23,PbO最多可代替18的（BaOZnO），但至少要保留10的BaO和5的ZnO。PbO代替BaO和ZnO可调节玻璃的衰减和转变温度。,为了提高化学稳定性，可用ZrO,2,或TiO,2,代替2的BaO；,为了改善析晶性能，可加入3Al,2,O,3,及2As,2,O,3,。,PbO最多可代替18的（BaOZnO），但至,24,组成和性能,1,2,3,SiO,2,59.8,57.6,54.4,B,2,O,3,3.0,K,2,O,11.0,13.0,8.4,BaO,19.3,12.0,13.6,ZnO,6.7,8.0,7.6,PbO,7.1,15.7,TiO,2,2.0,As,2,O,3,0.2,0.3,0.3,对数衰减（,10,3,）,0.7,0.8,0.5,V,tr,（m/s）,3093,2934,2838,变形温度（,）,612,579,563,密度（g/m,3,）,2.85,2.91,3.15,(d/dT)/10,6,/,(1050),1.2,1.0,0.9,延迟线玻璃的典型组成和性能,组成和性能 1 2 3 SiO259.85,25,这三种玻璃采用锆钛酸铅做压电换能器制成了64us的延迟线。其中第三种玻璃于13801400在铂坩埚或陶瓷坩埚内熔融16hr，在1440下澄清约14 hr，成型温度约为1300，冷却速度10/hr、7/hr或5/hr。所得玻璃不应有气泡，否则会造成散射，引起损耗。,这三种玻璃采用锆钛酸铅做压电换能器制成了64us的,26,4.3半导体玻璃,一般半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间，为10,5,10,7,欧姆米，并分为本征半导体和杂质半导体两种。杂质半导体包括空穴型（p型）半导体和电子型（n型）半导体，玻璃半导体主要属于杂质半导体。,4.3半导体玻璃 一般半导体的电阻率介于导体和,27,1、玻璃的电导,窗玻璃、瓶罐玻璃、光学玻璃等普通玻璃是绝缘体。在常温下其电导率在10,13,1,cm,1,或10,14,1,cm,1,以下。为了在玻璃上通过电流，采取在玻璃表面涂覆银膏、金的蒸发膜、氧化铟（In,2,O,3,）、氧化锡（SnO,2,）膜（透明导电膜）来获得导电性。,19541955年，人们发现在氧化物玻璃和硫系玻璃中电子也可以移动，即所谓的