基于石墨烯透明導電薄膜的智能調光膜(轉載)

　　原創(chuàng ) 2016-08-0* 高陽(yáng) 范江峰 新材料產(chǎn)業(yè)

　　一、大面積低成本生產(chǎn)的石墨烯透明導電薄膜

　　石墨烯作為一種有著(zhù)特殊性能的材料，目前已應用于透明導電電極、觸控屏、太陽(yáng)能電池、鋰電池、超級電容器、導熱薄膜、海水淡化、環(huán)境污染治理等領(lǐng)域（見(jiàn)圖1），被人們寄予了厚望。

　　圖1 石墨烯的優(yōu)異特性及應用領(lǐng)域

　　歐盟于201*年年初啟動(dòng)的超大規模石墨烯“旗艦”研究計劃中，透明導電膜研究是其中的重要內容之一。與此同時(shí)，許多世界級企業(yè)如美國IBM、德國B(niǎo)ASF、韓國三星等紛紛投入巨資開(kāi)展石墨烯透明導電薄膜產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)，以期在這一新材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域占據有利位置。三星公司更是宣布在不久的將來(lái)要將石墨烯透明導電膜商品化。

　　國際上石墨烯的發(fā)展熱潮也逐漸影響到我國的學(xué)術(shù)界與企業(yè)界，尤其自2010年石墨烯的發(fā)現者獲得諾貝爾獎之后，我國各級政府部門(mén)逐漸加大了對石墨烯研究的支持力度，國家自然科學(xué)基金委員會(huì )、國家科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院等部門(mén)先后啟動(dòng)了多項針對石墨烯重大項目的研究，北京、上海、江蘇、浙江、廣東等許多地方也先后提出了支持石墨烯研發(fā)的策略與方案，許多企業(yè)也紛紛通過(guò)調研、合作研發(fā)、中試投資等方式介入石墨烯產(chǎn)品的研發(fā)，從而使我國石墨烯研發(fā)與應用研究逐漸進(jìn)入起步階段。石墨烯透明導電膜的研發(fā)也不例外，國內已經(jīng)誕生了一些石墨烯透明導電膜研發(fā)企業(yè)。

　　然而，目前國內外開(kāi)展石墨烯透明導電膜研發(fā)所面臨的核心問(wèn)題仍然是石墨烯膜的大面積、低成本、高質(zhì)量制備技術(shù)。到目前為止，國內外廣泛采用的石墨烯膜制備技術(shù)是化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)。這一技術(shù)路線(xiàn)能夠得到質(zhì)量較好的大片單層石墨烯，在透光率和面電阻上具有性能優(yōu)勢，但仍然存在許多致命的缺點(diǎn)，如工藝路線(xiàn)復雜、成本高、良品率低、薄膜面積受限等。而石墨烯的另一制備技術(shù)——氧化還原法采用溶液制程，便于通過(guò)卷對卷工藝實(shí)現大面積連續化制備，成本上具有很大優(yōu)勢，但由于石墨烯片有一定缺陷，邊界較多，在性能上略有不足?？傊?，要實(shí)現石墨烯透明導電膜的規?；蜕唐坊a(chǎn)還需要進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng )新以及大量的人力物力投入。

　　國家納米科學(xué)中心智林杰課題組在石墨烯透明導電薄膜的氧化還原法制備方面做了大量研究，研究開(kāi)發(fā)的石墨烯透明導電膜生產(chǎn)技術(shù)與國內外同類(lèi)技術(shù)相比具有獨特的技術(shù)優(yōu)勢，在國際上首次采用棒涂技術(shù)實(shí)現了氧化石墨烯薄膜的大面積、連續化、快速涂膜；在國際上首次采用室溫催化還原技術(shù)并實(shí)現了氧化石墨烯膜的快速、高效、綠色還原；形成了首條基于輥對輥工藝的石墨烯透明導電薄膜連續化生產(chǎn)線(xiàn)。通過(guò)應用石墨烯透明導電膜，使得智能調光膜產(chǎn)品的成本大幅降低，生產(chǎn)效率大大提高，這對于快速、全面推廣石墨烯膜材料的實(shí)際應用、在較短時(shí)間內迅速與多樣化的終端產(chǎn)品及市場(chǎng)接軌至關(guān)重要。北京生美鴻業(yè)科技有限公司與國家納米科學(xué)中心建立了緊密型合作關(guān)系，目前已形成大面積、低成本石墨烯透明導電薄膜規?；?、連續化生產(chǎn)能力，產(chǎn)品的各項性能達到同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平，預計2014年底可推出石墨烯智能調光膜原型產(chǎn)品，屆時(shí)將填補國內外相關(guān)領(lǐng)域的空白。

　　二、基于石墨烯透明導電薄膜的智能調光膜

　　隨著(zhù)我國經(jīng)濟社會(huì )的高速發(fā)展，我國在眾多領(lǐng)域取得了驕人的成就，但隨之而來(lái)的高能耗和高污染也成為了制約我國經(jīng)濟可持續發(fā)展的主要因素。國務(wù)院在“十二五規劃””中，提出要大力推進(jìn)節能減排，發(fā)展綠色建筑。我國單位建筑面積能耗是發(fā)達國家的*倍以上，窗體是建筑耗能的主要部分，為了降低建筑能耗，急需一種效果顯著(zhù)、切實(shí)可行、應對節能需求的智能化窗體產(chǎn)品，智能調光膜正是在這種趨勢下應運而生。

　　1.智能調光膜是建筑節能的重要解決方案

　　我國建筑能耗占總體能耗的**%，建筑節能行動(dòng)滯后、能耗高、污染重成為制約我國經(jīng)濟可持續發(fā)展的突出問(wèn)題。中國建筑外墻熱損失是北美同類(lèi)建筑的*～*倍，窗的熱損失在2倍以上；門(mén)窗面積占建筑面積的20%～*0%，玻璃占門(mén)窗面積*0%～80%；建筑能耗的*0%通過(guò)門(mén)窗流失，其中1/*通過(guò)玻璃流失；輻射傳熱是熱傳導的主要方式，約占60%以上。

　　2006年以來(lái)，國家強制推進(jìn)建筑節能工作，制定了一系列政策措施。例如，住房和城鄉建設部出臺的《綠色建筑評價(jià)標準》用*個(gè)等級（星級）對新建與既有建筑改造進(jìn)行達標評價(jià)。其中，對建筑窗戶(hù)相關(guān)部分提出：住宅建筑布局保證室內外的日照環(huán)境、采光和通風(fēng)的要求，滿(mǎn)足《城市居住區規劃設計規范》（GB *0180）中有關(guān)住宅建筑日照標準的要求。201*年1月，國務(wù)院轉發(fā)國家發(fā)展和改革委員會(huì )、住房和城鄉建設部的《綠色建筑行動(dòng)方案》要求：緊緊抓住城鎮化和新農村建設的重要戰略機遇期，樹(shù)立全壽命期理念，切實(shí)轉變城鄉建設模式，提高資源利用效率，合理改善建筑舒適性，從政策法規、體制機制、規劃設計、標準規范、技術(shù)推廣、建設運營(yíng)和產(chǎn)業(yè)支撐等方面全面推進(jìn)綠色建筑行動(dòng)，加快推進(jìn)建設資源節約型和環(huán)境友好型社會(huì )，并明確2020前實(shí)施建筑節能的目標。

　　國家在2012年發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規劃》中明確提出，將石墨烯等材料列為重點(diǎn)前沿新材料，推進(jìn)納米材料在節能減排等領(lǐng)域的研究應用。我國對石墨烯的研究在國際上處于領(lǐng)先地位，相關(guān)專(zhuān)利數量居世界首位，石墨烯產(chǎn)業(yè)化受到業(yè)界廣泛關(guān)注。我國的石墨烯產(chǎn)業(yè)還處于摸索期，究竟什么樣的產(chǎn)品形式最適合石墨烯，人們有著(zhù)不同的期待，智能調光膜就是在這樣的背景下問(wèn)世的最新門(mén)窗應用型節能產(chǎn)品。

　　智能調光膜是一種新型光電產(chǎn)品，集門(mén)窗內外遮陽(yáng)與降低輻射為一體，具有獨特的透光與保溫功能：夏季可動(dòng)態(tài)調節太陽(yáng)光透過(guò)率，對透過(guò)的光和熱量進(jìn)行控制，有效降低室內溫度；冬季可恢復光線(xiàn)與熱量的透過(guò)能力，阻斷室內熱量散失。智能調光膜與現有建筑門(mén)窗相比，綜合節能效果提高*0%以上，可以有效克服現有Low-E鍍膜只能降低輻射而無(wú)恢復光照功能的單一缺陷。智能調光膜還可根據用戶(hù)需求改變玻璃的顏色與色度，提高居室或辦公場(chǎng)所的舒適性。智能調光膜還可與傳感器相結合實(shí)現自動(dòng)調節，讓用戶(hù)體驗與節能效果達到最優(yōu)化。

　　2. 石墨烯透明導電薄膜是智能調光膜極佳的關(guān)鍵材料

　　目前的智能調光膜產(chǎn)品中的透明導電電極主要使用氧化銦錫（ITO）材料，具有透光性好、面電阻低、工藝成熟等優(yōu)點(diǎn)。但ITO不耐彎折，在生產(chǎn)、運輸和使用過(guò)程中容易發(fā)生斷裂而報廢，而且銦礦儲量稀少而分散，開(kāi)采和回收困難，隨著(zhù)資源的不斷消耗，ITO的成本將不斷攀升。由于以上原因，人們在不斷尋找ITO的替代品，目前比較有潛力的材料有銀納米線(xiàn)、金屬網(wǎng)格、碳納米管以及石墨烯等。石墨烯作為一類(lèi)全新的二維碳基材料，具有超薄、超柔、高比表面等特性，單原子層厚度及二維特性，加之石墨烯良好的電子傳輸性能與寬波段透光性能，使得石墨烯薄膜具有本征的透光導電特性，是一種非常理想的透明導電膜材料。與傳統的基于ITO的透明導電材料相比，石墨烯具有柔性的優(yōu)勢，易于應用在PET等柔性基底上，擴大了產(chǎn)品應用范圍；柔性化材料適合與卷對卷工藝整合，能夠全程連續化生產(chǎn)，降低工藝成本，而且石墨烯材料本身的物料成本也更低，具有極大的成本優(yōu)勢。因此，國際上針對石墨烯透光導電薄膜特性的研發(fā)是重點(diǎn)與熱點(diǎn)之一。

　　*. 智能調光膜功能特點(diǎn)和應用領(lǐng)域

　　智能調光膜廣泛應用于現代建筑玻璃幕墻、窗戶(hù)玻璃、建筑內部隔斷、各種車(chē)輛及航天器側面窗戶(hù)等領(lǐng)域。我國每年新增建筑20億m2，既有建筑400億m2，80%以上為高耗能建筑。建筑外窗與透明玻璃幕墻是外圍護結構中熱傳導、熱擴散最活躍和熱損失最嚴重的部位。智能調光膜可以作為建筑玻璃的夾芯或內外貼膜，通過(guò)對射入光線(xiàn)的調節與熱能的阻隔實(shí)現對經(jīng)由窗戶(hù)進(jìn)出熱量進(jìn)行控制的解決方案，能夠按需自動(dòng)變色，不再需要使用室內遮陽(yáng)窗簾或室外的外遮陽(yáng)隔柵來(lái)進(jìn)行遮陽(yáng)或隔熱。在室內空間與室外的光線(xiàn)融合連通的同時(shí)控制眩光和熱量，并有效減少能源消耗。根據權威機構Nanomarkets預測，到2018年，包括智能調光膜在內的智能窗產(chǎn)品市場(chǎng)規模將達到400億美元。

　　據美國能源部估計，電致變色窗系統能夠至少節省20%的運行成本，減少24%的峰值用電需求，暖通空調系統負載減小2*%，照明費用減少60%，從用電需求和設備投入2方面降低了建筑成本。由美國加州能源委員會(huì )資助、勞倫斯伯克利國家實(shí)驗室完成的項目報告中指出，可控電致變色窗（EC窗）能夠在保持視野的同時(shí)調節入射光強、眩光、傳熱，能夠有效減少制冷、供熱和照明方面的能源消耗和用電峰值需求。該研究通過(guò)模擬計算、實(shí)驗室測試以及長(cháng)達2年半的辦公大樓實(shí)地測試，對大面積電致變色窗原型產(chǎn)品在實(shí)際商用環(huán)境下的性能進(jìn)行了檢驗，包括透光率范圍、著(zhù)色均一性、變色速度和控制精度等；此外，還整合了智能窗與光照控制系統，利用傳感器和算法優(yōu)化能效與用戶(hù)舒適度，通過(guò)智能化設計和控制方法實(shí)現最佳性能，使智能窗融入建筑能效控制系統，成為一套完整的解決方案。結果表明：電致變色窗的制冷負載峰值降低了1*%～26%，照明能耗降低了48%～6*%。電致變色窗也有利于獲得更好的用戶(hù)主觀(guān)感受，包括減少眩光、降低電腦屏幕反射、降低窗口亮度、提供更好的視野等。而隨著(zhù)員工舒適度的提高，員工會(huì )以更積極的態(tài)度投入工作，使工作效率提高。

　　智能調光產(chǎn)品在交通領(lǐng)域的應用已嶄露頭角，圖2我相關(guān)的應用實(shí)例。2008年，法拉利為前置V12引擎旗艦車(chē)型612Scaglietti安裝了電控變色全景車(chē)頂，覆蓋整個(gè)座艙頂部，它由電致變色玻璃制成，按下按鈕即可調節射入座艙的光線(xiàn)強度。200*年12月1*日，使用了智能調光窗的波音*8*夢(mèng)幻客機試飛成功。通過(guò)自動(dòng)調節窗口的明暗，可以讓乘客獲得更舒適的旅行體驗，而由此帶來(lái)的對光熱傳輸的控制效果有助于實(shí)現節能減排。使用了智能調光膜的防眩目后視鏡也已經(jīng)大量應用于機動(dòng)車(chē)當中，當后方車(chē)輛使用遠光燈時(shí)，防眩目后視鏡會(huì )自動(dòng)減弱光線(xiàn)的反射，消除干擾駕駛員的眩光，保障了行駛安全。

　　圖2 智能調光膜應用實(shí)例

　　基于高分子分散液晶技術(shù)(Polymer Dispersed Liquid Crystal，PDLC)的調光膜具有在斷電狀態(tài)下呈霧態(tài)（不透明）、通電時(shí)呈透明態(tài)的特點(diǎn)，使得調光玻璃同時(shí)具有普通玻璃和電控窗簾的雙重特點(diǎn)，即在霧態(tài)時(shí)可以有效地保護隱私，隔離出私密空間；在透明態(tài)時(shí)又可以保持視野通透，因此廣泛用于會(huì )議室、中控室、酒店等需要私密性的場(chǎng)合。液晶調光膜在霧態(tài)下還可作為投影幕布使用，與觸控功能等相結合形成復合型產(chǎn)品，主要用于商場(chǎng)產(chǎn)品展示等場(chǎng)合。

　?。? 智能調光膜工作原理

　　智能調光膜從原理上主要分為電致變色型和高分子分散液晶型。前者利用電致變色材料在鋰離子和電子注入、抽出時(shí)發(fā)生的著(zhù)色態(tài)和透明態(tài)之間的轉換，即電致變色效應，實(shí)現由外加電壓實(shí)現的透光率可逆調節。電致變色器件主要由透明電極層、電致變色層、對電極層和離子傳導層構成，其工作原理見(jiàn)圖*所示。目前已產(chǎn)品化的電致變色材料主要包括無(wú)機材料和有機材料。其中無(wú)機材料以金屬氧化物為主，如氧化鎢、氧化鎳等，而有機材料主要包括聚噻吩及其衍生物、聚苯胺及其衍生物、聚吡咯及其衍生物、紫羅精類(lèi)、四硫富瓦烯、金屬酞菁類(lèi)化合物等。

　　圖* 電致變色智能調光膜工作原理

　　基于PDLC液晶技術(shù)的調光膜使用高分子分散液晶層作為功能層。液晶液滴均勻分散在高分子基質(zhì)中，在不加電場(chǎng)時(shí)液晶分子的方向隨機排布，射入的光線(xiàn)發(fā)生散射，薄膜因而呈現霧態(tài)；當在薄膜上加電場(chǎng)時(shí)，液晶分子統一沿電場(chǎng)方向排布，而且液晶與高分子折射率基本一致，光線(xiàn)可以不受阻礙的透過(guò)薄膜，使薄膜呈現透明態(tài)。

　　圖4 液晶智能調光膜工作原理

　?。?智能調光膜發(fā)展趨勢

　　智能調光膜要實(shí)現明顯的節能效果，提高視覺(jué)舒適度，這有賴(lài)于能夠實(shí)行準確調控的控制系統。通過(guò)與智能調光膜連接的傳感器和中間態(tài)控制器，根據外界光線(xiàn)調節調光膜的透光率，既要阻擋過(guò)強的陽(yáng)光以減少制冷能耗，又要滿(mǎn)足視覺(jué)舒適的要求，同時(shí)盡可能引入陽(yáng)光以減少照明能耗，達到能效和用戶(hù)體驗的最優(yōu)化。2006年，智能調光膜商業(yè)化的初代產(chǎn)品功能相對單一，只能在開(kāi)和關(guān)之間控制，而且成本過(guò)高，只有當生產(chǎn)規模擴大后成本才會(huì )大幅降低。目前，智能調光膜產(chǎn)品的價(jià)值不僅體現在降低能源支出上，更重要的是在負載管理和用戶(hù)舒適度方面，這是吸引早期消費者的關(guān)鍵。

　　智能調光膜未來(lái)的發(fā)展方向是更好的性能和更低的成本，具體表現在：需要精確的控制器，更快的透光率轉換速度，不透光狀態(tài)下避免彩色，調光范圍更大，減少生產(chǎn)成本；設計更通用、更可靠的照明控制算法，以適應不同用戶(hù)、不同氣候條件、不同暖通空調系統的要求；制訂產(chǎn)品評級體系和行業(yè)標準，開(kāi)發(fā)設計工具等。產(chǎn)品如果實(shí)現柔性化，應用范圍將會(huì )大為擴大，不但能夠應對各種形狀的表面，還可以融入可穿戴設備，例如可變色迷彩服等。

　　智能調光膜能夠實(shí)現透光的按需調節，構建節能、舒適、人性化的工作和生活環(huán)境，是綠色智能建筑、現代化高科技交通工具的必要組成元素。但苛刻的工藝條件、高昂的生產(chǎn)成本大大限制了它的廣泛應用。在智能調光膜產(chǎn)品中引入石墨烯透明導電薄膜替代傳統的ITO材料，充分利用了石墨烯高透光率、高導電率、柔性的特點(diǎn)，使得調光膜產(chǎn)品在保證性能的同時(shí)降低了成本，為產(chǎn)品的推廣應用提供了助力。

　　我國在石墨烯研發(fā)方面具有國際領(lǐng)先地位，石墨資源也相當豐富，如何將石墨烯這一神奇材料真正轉化為產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢成為了足以影響整個(gè)新材料產(chǎn)業(yè)的重要課題。綜合考慮產(chǎn)品形式、石墨烯發(fā)展現狀、市場(chǎng)預期等因素，智能調光膜是石墨烯在目前的性能條件下很好的應用切入點(diǎn)，發(fā)展這一產(chǎn)業(yè)將會(huì )極大推動(dòng)石墨烯的研發(fā)、生產(chǎn)和應用，并產(chǎn)生對整體產(chǎn)業(yè)鏈的帶動(dòng)效應，讓石墨烯這一神奇材料真正造福大眾。

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