Исследователи из Университетов США и Китая разработали новое инновационное покрытие для стекла с характеристиками, превышающими традиционные Low-E. Подробно в материале ОКНА МЕДИА.
Новое углеродное покрытие для стекла – в чем суть технологии
Международная группа исследователей из Университета Райса (США), Китайского университета Гонконга и других институтов разработала инновационное покрытие для стекла на основе нитрида бора (BN), модифицированного углеродом (C-BN). Это решение устраняет ключевые недостатки традиционных низкоэмиссионных стёкол. Данные подтверждены результатами исследования.pdf.
Фото: инновационное стекло с углеродным покрытием устраняет ключевые недостатки традиционных низкоэмиссионных стёкол, © qwen
Стекло с низкоэмиссионным покрытием (low-E) – ключевой элемент энергосберегающего остекления, сокращающий теплопотери.
Традиционные покрытия на основе серебра или оксида индия-олова (ITO) имеют существенные недостатки:
- Высокую стоимость;
- Хрупкость;
- Уязвимость к влаге, УФ-излучению, перепадам температур.
Эти недостатки вынуждают наносить «мягкие» низкоэмиссионные покрытия только на внутреннюю сторону стекла в стеклопакете, существенно ограничивая потенциал энергосбережения. Совместные исследования ученых из ведущих университетов США и Китая предлагают революционное решение.
В центре прорыва – покрытие из нитрида бора (BN), в атомную решетку которого вплетен углерод (С). Покрытие представляет собой прозрачную пленку, состоящую из нитрида бора с добавлением углерода.
Этот гибридный материал синтезируется инновационным методом – импульсное лазерное осаждение (PLD). Короткие высокоэнергетические лазерные импульсы испаряют мишень из нитрида бора, создавая плазменный шлейф, который осаждается на стеклянную подложку.
Ключевое преимущество синтеза – процесс происходит при комнатной температуре. Это устраняет необходимость в энергоемком высокотемпературном нагреве, характерном для многих других технологий нанесения покрытий, и открывает возможность работы с термочувствительными материалами.
«С точки зрения синтеза, покрытие нитрида бора на стекле – это действительно удивительно и очень интересно», – отмечает Абхиджит Бисвас, ведущий автор исследования.
Универсальность углеродного покрытия стекла
Технология низкотемпературного осаждения открывает двери для нанесения покрытий C-BN не только на стекло, но и на полимеры, текстиль и другие поверхности.
Уникальные характеристики углеродного покрытия
Новое покрытие обеспечивает низкие теплопотери, долговечность и универсальность применения. Технология открывает значимый потенциал для масштабного внедрения в строительной отрасли, особенно в регионах с экстремальным климатом.
Покрытие C-BN обладает уникальным сочетанием свойств, недостижимым для коммерческих аналогов:
1. Низкая эмиссионность (εLWIR ≈ 0.42) – способность излучать тепло в длинноволновом ИК-диапазоне значительно ниже, чем у чистого BN или стекла. «Хотя чистый нитрид бора демонстрирует почти такую же эмиссионность как стекло, добавление небольшого количества углерода значительно снижает этот показатель – и это меняет правила игры», – подчеркивает Пуликкель Аджаян, профессор Университета Райса.
Фото: выдержка из протокола исследования
2. Высокая прозрачность – не ухудшает светопропускание стекла.
Фото: выдержка из результатов исследования
3. Гидрофильность – способствует равномерному распределению влаги (например, дождя) по поверхности.
4. Высокая долговечность – открытие демонстрирует беспрецедентную устойчивость к:
- Высоким температурам и влажности;
- Интенсивному УФ-излучению;
- Многократным термоциклам (резкие перепады температуры);
- Замораживанию;
- Воздействию соленой воды (имитация морского климата);
- Механическим повреждениям (превосходная адгезия к стеклу, полная защита от царапин в тестируемых условиях).
Сравнение углеродного C-BN покрытия и традиционного Low-E
Параметр |
Углеродное покрытие C-BN
|
Традиционное покрытия Low-E (И-стекло) |
Эмиссионность |
≈ 0,42
Выше – хуже теплосбережение
|
0,04
Ниже – лучше теплосбережение
|
Прозрачность |
Не ухудшает светопропускание самого стекла |
Снижение до 85 %,
Ухудшает светопропускание самого стекла
|
Устойчивость к УФ |
Высокая |
Ограниченная |
Температурный диапазон |
от -40°C до +100°C, экстремальные условия эксплуатации |
До +60°C,
ограниченные условия эксплуатации
|
Срок службы |
15+ лет (прогноз)
выше
|
7–10 лет
ниже
|
Ключевое отличие нового углеродного покрытия стекла
Экстремальная долговечность является главным отличием и преимуществом C-BN. Она позволяет наносить это high-tech покрытие на внешнюю сторону оконного стекла – то, что было принципиально невозможно с традиционным low-E покрытием из-за быстрой деградации под воздействием окружающей среды.
«Высокая устойчивость к погодным условиям делает его первым low-E-покрытием для наружной стороны окон, с энергосберегающей способностью, которая явно превосходит внутренние аналоги. Это может быть отличным решением для густо застроенных городов», – сказал И Лун из Китайского университета Гонконга.
Реальная экономия энергии
Моделирование энергопотребления стандартных зданий в городах с холодным климатом (Нью-Йорк, Пекин, Калгари) дало впечатляющие результат – стекло с покрытием C-BN на внешней стороне обеспечивает экономию энергии на 2.9% по сравнению с лучшими коммерческими low-E стеклами, имеющими покрытие только внутри. Экономия достигается за счет более эффективного блокирования потерь тепла через внешнее стекло. Тестирование в Нью-Йорке (США) и Калгари (Канада) подтвердило эффективность при экстремальных перепадах температур (от -40°C до +100°C).
«Уровень прозрачности и перспективная низкая эмиссионность делают стекло с углеродным покрытием конкурентоспособным вариантом для энергосбережения», – отметил Шаньчэн Ван.
Преимущества для строительной отрасли
1. Энергосбережение
- В холодных регионах покрытие снижает теплопотери по сравнению с аналогами. Для России это очень важно. Особенно эффективно данное покрытие для высотных зданий, где зимой через окна теряется до 30% тепла, а также зданий с панорамными окнами.
- Покрытие снижает летнюю температуру на 76%, решая проблему «тепловых островов».
2. Экономическая выгода
- Дешевле аналогов. Сырье – нитрид бора дешевле серебра и оксида индия-олова, которые используются в традиционных покрытиях. Несмотря на сравнительно низкую стоимость исходного нитрида бора в сравнении с серебром или оксидом индия-олова, используемыми в коммерческих покрытиях low-E, прямое сравнение затрат пока затруднено из-за различий в методах производства и долговечности материалов. Конкурентоспособность с перспективными покрытиями – корейские аналоги – многослойные покрытия (полидиметилсилоксан + серебро + брэгговское зеркало) снижают температуру стекла на 22,1°C, но требуют сложного производства. Преимущества C-BN: простота нанесения, долговечность и низкая стоимость сырья.
- Долговечность – снижение затрат на замену стеклопакетов и обслуживание.
3. Универсальность применения – многослойные системы – совместимость с «умными окнами» и BIPV-фасадами (солнечными);
4. Перспектива использования в памятниках архитектуры – в исторических зданиях прозрачность покрытия позволяет сохранить архитектурный стиль без изменения внешнего вида.
Вывод
Углеродного покрытие C-BN устраняет компромисс между прозрачностью и теплоизоляцией, делая окна активными элементами энергосбережения. Его способность выдерживать внешние воздействия позволяет использовать его в условиях экстремального климата – от Арктики до тропиков.
Нанопокрытие на основе углерод-легированного нитрида бора (C-BN) представляет собой качественный скачок в технологии энергосберегающих окон. Решив проблему долговечности наружных покрытий, они открывают путь к принципиально новому уровню энергоэффективности зданий – путь к зданиям с нулевым энергобалансом.
Сочетание доказанных эксплуатационных преимуществ, потенциала для масштабирования и экономии ресурсов делает углеродного покрытие C-BN ведущим кандидатом на роль материала для остекления следующего поколения, способного внести существенный вклад в устойчивое развитие строительной отрасли и снижение глобальных энергопотерь.
