研究人员开发出节能掺碳玻璃涂层

慧正资讯，莱斯大学研究人员及其合作者开发出一种新型玻璃涂层，有助于降低能源费用，尤其是在寒冷季节，它能防止漏风窗户散失热量。这种材料是一种透明薄膜，通过将碳编织进氮化硼的原子晶格中制成，可形成一层薄而坚韧的涂层，能反射热量、抗刮擦，还能抵御湿气、紫外线和温度变化。

阻止窗户热量流失

研究人员模拟了这种材料在纽约、北京和卡尔加里等冬季寒冷城市的实际大小建筑中的表现，结果显示，与现有替代品相比，该材料可提高2.9%的节能效果。仅在美国，每年就安装超过40亿平方英尺的新窗户，因此节能效果十分可观。

根据发表在《先进材料》杂志上的一项研究，这种涂层的耐用性使其能够涂覆在玻璃的外侧，这是相较于传统低辐射（低辐射率，简称低E）涂层的一大优势。辐射率描述的是材料以热能形式辐射热量的能力；辐射率越低，通过玻璃散失的热量就越少。传统低E涂层容易受到湿度和温度波动等环境因素的影响而降解，因此需要涂覆在窗户的内侧。

“虽然纯氮化硼的辐射率与玻璃几乎相似，但当你在其中加入少量碳时，辐射率会显著降低——这完全改变了局面，”莱斯大学本杰明·M.和玛丽·格林伍德·安德森工程学教授、材料科学与纳米工程学教授Pulickel Ajayan说道。

为了制造这种涂层，研究团队采用了脉冲激光沉积技术，即利用短而高能的激光脉冲轰击固体氮化硼靶材，激发出等离子体羽流，羽流分散成蒸汽后沉积在基底上——在本例中，基底为玻璃。由于该过程在室温下进行，因此避免了制造粘性涂层通常所需的高温。

“从合成角度来看，在玻璃上涂覆氮化硼确实令人惊叹且非常令人兴奋，”该研究的主要作者、薄膜合成专家Abhijit Biswas说道。

拓宽氮化硼涂层的应用领域

Ajayan指出，除了玻璃之外，同样的低温氮化硼沉积技术还可应用于其他材料，包括聚合物、纺织品，甚至可能还有生物表面。此外，其他可扩展的技术，如卷对卷化学气相沉积或溅射，通过适当的工艺优化，最终有望实现商业化生产。

“这极大地拓宽了氮化硼涂层的应用领域，”作为该研究的通讯作者，Ajayan说道。莱斯大学他的研究团队多年来一直在研究氮化硼薄膜的生长，对该材料卓越的机械、热和光学性能颇感兴趣。

从原材料角度来看，氮化硼比大多数商用低辐射玻璃中使用的银或氧化铟锡成本更低。不过，研究人员提醒，不应直接进行成本比较，因为这些材料在耐用性、加工方法和技术成熟度上存在差异。即便如此，研究团队仍看好这种涂层的长期性能，尤其是在现有材料表现不佳的恶劣环境中。

为了评估这种涂层的光学透明度以及在建筑物中的节能潜力，莱斯大学的团队与香港中文大学的龙毅Yi Long展开合作，龙毅是该研究的共同通讯作者，其团队专注于智能窗技术用功能材料的研究。Yi Long强调，这种涂层在户外环境中的耐用性是其与现有技术的关键区别。

“高耐候性使其成为首款可用于外侧的低辐射窗户涂层，其节能能力明显优于内侧的同类产品。在建筑密集的环境中，它可能是一个绝佳的解决方案，” Yi Long补充道。

合作者与贡献者

Shancheng Wang也对这项研究做出了重要贡献，尤其在节能方面。“这种碳掺杂涂层玻璃的透明度和良好的低辐射特性，使其成为北京、纽约等城市极具竞争力的节能选择，” Shancheng Wang说。

除莱斯大学和香港中文大学外，该研究团队还包括来自亚利桑那州立大学、康奈尔大学和多伦多大学的合作者。

这项研究得到了美国空军科学研究办公室（S004434-AFOSR）、美国空军科学研究办公室与克拉克森航空航天公司（FA9550-24-1-0004）、莱斯大学空间研究所、美国海芯堪旃遥∟00014-22-1-2357）、美国国家科学基金会（1650114、1626418、DMR150006）、美国陆军研究实验室、美国国防部高性能计算现代化计划、美国能源部（DESC0021230）、加拿大自然科学与工程研究委员会、加拿大创新基金会、香港特别行政区政府、香港中文大学、2024年深港澳科技计划（SGDX20230821094659005）以及创新科技基金（ITS/221/23）的支持。