Стекло, модифицированное электропроводящими свойствами

Стекло сегодня – самый востребованный и перспективный строительный материал, постоянно удивляющий многообразием своих возможностей и характеристик и поэтому используемый для реализации наиболее смелых архитектурных решений

Международная выставка "Архитектурное стекло – 2008", проходившая в Киеве с 22 по 25 января, стала парадом инновационных разработок в сфере создания светопрозрачных конструкций, а также высокотехнологичного оборудования для воплощения этих разработок в жизнь. Как всегда, на выставке были продемонстрированы самые невероятные возможности стекла, разработанные рядом известных компаний. Одна из них – Glassbel – продемонстрировала стеклопакеты со стеклом специального назначения Glassheat: с электронагревом; защитными функциями от прослушивания и сканирования информации, электромагнитного излучения.

Стекло Glassheat с электронагревом

Это стекло со специальным электропроводящим покрытием, изготовленным в соответствии с ГОСТ 24866-99. В стекле дополнительно установлены электроды с выводами для подключения к электрической цепи. При прохождении тока по стеклу с электропроводящим покрытием выделяется тепло, величина которого определяется электрическим сопротивлением, количеством приложенного электрического напряжения, силой и временем прохождения тока.

Стекло Glassheat, защищающее от прослушивания и сканирования информации

В конструкцию стеклопакета входит электропроводящее стекло с электродами, к которому подключен генератор случайных сигналов (частоты). Принцип работы стекла состоит в следующем: на его поверхности возникает электромагнитное поле, в результате чего отраженный лазерный луч в приемнике создает сплошной шум при демодуляции снимаемого сигнала. Данное стекло предназначено для использования в офисах компаний, банков, в военных, дипломатических и правительственных учреждениях с целью их безопасности и утечки информации.

Стекла Glassheat для защиты от внешнего электромагнитного излучения (ЭМИ).

Такие стекла могут применяться в офисных, производственных и жилых зданиях, аэропортах (в помещениях, откуда осуществляется управление полетами), а также на военных кораблях. В конструкцию стеклопакета Glassheat входит стекло с электропроводящим покрытием и заземляющими электродами. Защиту от вредного для здоровья влияния ЭМИ электростатических полей силовых линий электропередач, электрических машин, контактных явлений электротранспорта, радиочастот базовых станций мобильной связи и др. регламентируют государственные санитарные нормы и правила защиты населения.

Исследования показали, что стекла с прозрачными полупроводниковыми пленками ослабляют падающий на них поток электромагнитной энергии, являясь, таким образом, биологической защитой человека. Общее ослабление ЭМИ, создаваемое таким стеклом, зависит от длины волны излучения и составляет 20–25 дб. (рис.1).



Разделение потерь ЭМИ, вносимое стеклом, преобразуется в отраженную волну, а также частично поглощается.

Стекла с покрытием, сопротивление которого составляет 5–10 Ом на квадрат поверхности, отражает 75–90% ЭМИ, поглощая всего 10–25%.

Для стекол с поверхностным сопротивлением 50–100 Ом на квадрат поверхности общие потери снижаются до 12–15 дб. Отраженная составляющая ЭМИ для этих стекол равна 50–70%, поглощенная – 25–30%.

Таким образом, ослабление энергии, создаваемое данными стеклами, происходит, в основном, за счет отраженной волны, поэтому их относят к прозрачным экранирующим материалам (рис. 2).



Необходимо отметить, что для промышленного применения следует рекомендовать пленки окиси олова, модифицированные добавками, т. к. они обладают чрезвычайно высокой механической прочностью и хорошей химической устойчивостью. При установке радиозащитных стекол в стеклопакеты или экраны покрытие стекол должно иметь надежный контакт с заземленным металлическим обрамлением.

Демонстрировавшиеся на выставке стеклопакеты специального назначения нуждаются в твердых прозрачных материалах, обладающих высокой электропроводностью. Наиболее приемлемое решение заключается в модификации поверхности стекла прозрачным покрытием, проводящим электрический ток.

Металлические покрытия, или восстанавливаемые ионы металлов, модифицированные на поверхности стекла, поглощают значительное количество света и не могут обеспечить высокую проводимость электрического тока.

Развитие материаловедения и разработка современных методов модификации прозрачных полупроводниковых пленок окислов олова (SnO2), индий-олова (In2O3), цинка (ZnO), пленок нитрида титана (TiN) на стекле дало возможность получить твердые прозрачные материалы со стабильной электропроводностью, которую можно варьировать в широких пределах. Для этих материалов, кроме высокой прозрачности (рис. 3), характерны большие механическая прочность и химическая устойчивость. Введенные в состав покрытия примеси вызывают нарушение строгой периодичности составляющих его атомов и изменяют электрические и оптические свойства покрытия. В небольших пределах удельное сопротивление регулируют изменением толщины покрытия.



Покрытия получают методом пульверизации или магнетронным реактивным распылением. Введение модифицированных добавок (сурьма, азот и пр.) расширяет диапазон сопротивления от 1 . 105 до 10 Ом/см2. Носителями электрического тока в данных покрытиях, как и в металлах, являются электроны. Такая проводимость не связана с переносом вещества, поэтому покрытие устойчиво к длительному воздействию тока, и его величина достигает 20 Вт/см2. Электропроводящее стекло работает как сопротивление при пропускании электрического тока, вследствие чего стекло нагревается и демонстрирует устойчивость при длительном нагревании до 300 оС. При более высоких температурах удельное сопротивление увеличивается.

Показатель преломления покрытий выше, чем у стекла, поэтому интенсивность отраженного света заметно увеличивается (на 20%), и в результате снижается светопропускание.

При хранении в нормальных условиях электропроводящее покрытие SnO2 сохраняет высокую устойчивость к атмосферному воздействию на протяжении многих лет, характеристики токопроводящего слоя остаются неизменными. Светопропускание и внешний вид покрытия при нагревании не изменяются.

Охлажденная поверхность стекла в зимнее время приводит к возникновению внутри помещения конвекционных потоков – эта отрицательная радиация вредна для людей. Электронагревательное стекло является инфракрасным нагревателем, излучающим тепло. Нагрев воздуха происходит от уже нагретых объектов – полов, стен, мебели и др. – и является вторичным процессом. Достоинство такого стекла состоит в том, что с его помощью возможно достичь теплового комфорта при температуре, которая на 3–4 оС ниже, чем при конвекционном отоплении, например, при отоплении высоких и плохо изолированных помещений (вокзалов, цехов, складов и т.д.).

При пропускании электрического тока через электропроводящее покрытие, являющееся единым целым со стеклом, оно работает как сопротивление, вследствие чего стекло нагревается и излучает тепло с двух сторон. Причем интенсивность излучения со стороны покрытия значительно меньше (около 35%), чем со стороны стекла. В составе стеклопакета используется низкоэмиссионное стекло для предотвращения "выброса" тепла на улицу.

Электрическая мощность, преобразуемая в тепло, определяется формулой:
W = I * u = u2 / R

Сопротивление участка покрытия (рис. 4) прямоугольного сечения (замеренное параллельно поверхности) можно выразить равенством:
R = cl / db

если l = b, то

R = c / d = Rs



Поэтому поверхностное сопротивление Rs одного квадрата зависит не от размера квадрата, а от удельного сопротивления и толщины электропроводящего покрытия и выражается в Омах на квадратную единицу поверхности. В нашем случае для квадратной единицы поверхности
W = u2 / Rs

Потребляемая удельная мощность на м2 поверхности составляет:
- при энергосбережении и обогреве 50–100 Ватт, устранении конденсата 20–50 Ватт, обогреве и устранении снеговой шапки 50–200 Ватт;
- при устранении снеговой шапки и льда 100–300 Ватт.

Удельная нагрузка поверхности электронагреваемого стекла выразится в Вт/см2 или кКал/см2:
Wсм2 = W / a2 = u2 / R * a2

Средняя удельная мощность, потребляемая 0,05–0,24 Вт на см2, зависит от температуры окружающей среды, а также скорости отведения тепла от поверхности, а энергоемкость находится в пределах от 0,1 до 0,2 Вт на см2. Теплопроизводительность м2 при энергоемкости 0,15 Вт на см2 и температуре поверхности 90–95 оС составит
Q = 0.15 * 10 000 * 860.4 / 1 000 * 0.93 = 1 200 кКал/час

где 0,93 – КПД электронагреваемого стекла;
860,4 – тепловой эквивалент 1кВт . ч.

По весьма приближенным расчетам удельный расход электроэнергии в год на отопление жилого здания электронагреваемым стеклом, отнесенный к м2 жилой площади и м3 здания, составляет 400кВт . ч/м2 или 49кВт . ч/м3.

При создании электронагреваемого остекления следует учитывать особенности такой конструкции, связанные с созданием контактов для электропроводящих слоев и изоляции.

Электроотопление электронагреваемым стеклом имеет ряд преимуществ:
- широкий предел регулирования температуры;
- возможность применения автоматических устройств включения/выключения и регулировки температуры;
- простота секционирования нагревательных элементов;
-селективно сосредоточенный и быстрый нагрев;
- возможность использования электронагреваемого стекла в качестве охранной и пожарной сигнализации;
- морозостойкость;
- гигиеничность и экологичность;
- простота обслуживания.

Материал подготовили Лобанов В.И.,
ведущий инженер НТУУ "КПИ",

Данилишин А.И.,
студент 3 курса НТУУ "КПИ"