一种玻璃幕墙

摘要

本发明公开一种玻璃幕墙，其由多个超材料片层叠加而成，所述每一超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造金属微结构；所述玻璃幕墙在可见光通过时具有相等的相对介电常数和相对磁导率，可见光无反射且无损耗的通过所述玻璃幕墙。本发明利用超材料原理制成玻璃幕墙，摆脱了常规的玻璃幕墙由其自身的物理性质所必然产生的各类缺陷，例如反射现象严重、透射现象不好等。本发明玻璃幕墙在基材上周期排布人造金属微结构使得可见光能完全通过玻璃幕墙而不被反射，从而避免了现有玻璃幕墙的光污染问题。

权利要求

1.一种玻璃幕墙，其特征在于：所述玻璃幕墙由多个超材料片层叠加而成，所述每一超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造金属微结构；所述玻璃幕墙在可见光通过时具有相等的相对介电常数和相对磁导率，可见光无反射且无损耗的通过所述玻璃幕墙。

2.如权利要求1所述的玻璃幕墙，其特征在于：构成所述玻璃幕墙的超材料片层层数小于等于二十。

3.如权利要求2所述的玻璃幕墙，其特征在于：所述基材两相对侧表面一侧表面上附着有第一人造金属微结构，另一侧表面上附着有与所述第一人造金属微结构一一对应的第二人造金属微结构；所述第一人造金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支；所述第二人造金属微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。

4.如权利要求2所述的玻璃幕墙，其特征在于：所述基材两相对侧表面的至少一侧表面上附着有人造金属微结构，所述人造金属微结构包括第一金属分支，所述第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于所述第二金属分支另一端的第三金属分支。

5.如权利要求3或4所述的玻璃幕墙，其特征在于：所述玻璃幕墙还包括玻璃幕墙转向控制装置，所述转向控制装置包括温度感应装置以及电路控制装置。

6.如权利要求2所述的玻璃幕墙，其特征在于：所述基材中周期排布的人造金属微结构由三个相同的平面拓扑结构在三维空间共中心点两两垂直相交而成。

7.如权利要求6所述的玻璃幕墙，其特征在于：所述平面拓扑结构包括相互垂直相交呈“十”字形的两条第一金属分支；分别连接于该两条第一金属分支两端、长度小于该第一金属分支并垂直于该第一金属分支的四条第二金属分支；从该第二金属分支两端向内延伸的八条第三金属分支；一边具有缺口并设置于该四条第二金属分支围成的平面内的四边形状的第四金属分支，该第四金属分支的四边长度小于该第二金属分支且具有该缺口的一边不与该第一金属分支相交，其他三边均与该第一金属分支相交。

8.如权利要求1所述的玻璃幕墙，其特征在于：所述基材为玻璃。

9.如权利要求1所述的玻璃幕墙，其特征在于：所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻或斜角沉积法排布于所述基材上。

10.如权利要求1所述的玻璃幕墙，其特征在于：所述人造金属微结构的材质为铜或者银。

说明书

一种玻璃幕墙

技术领域

[0001] 本发明涉及建筑材料技术领域，尤其涉及一种玻璃幕墙。

背景技术

[0002] 玻璃幕墙是一种美观新颖的建筑墙体装饰方法，是现代主义高层建筑时代的显著特征，它赋予建筑的最大特点是将建筑美学、建筑功能、建筑节能和建筑结构等因素有机地统一起来，使得建筑物从不同角度呈现不同的色调，随阳光、月色、灯光的变化给人以动态的美。

[0003] 然而，玻璃幕墙也带来了许多弊端，如当室外阳光过于炽烈时，需要使用窗帘来遮挡阳光；另外，由于玻璃幕墙的大量使用，当直射日光和天空光照射到玻璃幕墙表面时，由于玻璃镜面的反射产生强烈刺眼的反射眩光。强烈的反射眩光造成了光污染，使得发生意外交通事故的几率大大提升。当反射眩光进入高速行驶的汽车时，会瞬间刺激司机的视线，造成突发性暂时失明和视力错觉，给行人和司机都造成严重危害。同时，玻璃幕墙的反射眩光比阳光照射更强烈，其反射率高达82％至90％，夏日阳光被反射到居室中，使得室温平均升高4至6℃。更有甚者，长时间在白色光亮污染环境下工作和生活的人，容易导致视力下降，产生头晕目眩、失眠、心悸、食欲下降及情绪低落等类似神经衰弱的症状，使人的正常生理及心理发生变化，长期下去会诱发某些疾病。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述不足，提出一种提高太阳辐射能利用效率并减小现有玻璃幕墙强烈反射带来的光污染的玻璃幕墙。

[0005] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是，提出一种玻璃幕墙，其由多个超材料片层叠加而成，所述每一超材料片层包括基材以及周期排布于基材上的人造金属微结构；所述玻璃幕墙在可见光通过时具有相等的相对介电常数和相对磁导率，可见光无反射且无损耗的通过所述玻璃幕墙。

[0006] 进一步地，构成所述玻璃幕墙的超材料片层层数小于等于二十。

[0007] 进一步地，所述基材两相对侧表面一侧表面上附着有第一人造金属微结构，另一侧表面上附着有与所述第一人造金属微结构一一对应的第二人造金属微结构；所述第一人造金属微结构包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支，分别连接在所述第一金属分支两端且垂直于所述第一金属分支的第二金属分支；所述第二人造金属微结构由一边具有缺口的四边形状的第三金属分支构成。

[0008] 进一步地，所述基材两相对侧表面的至少一侧表面上附着有人造金属微结构，所述人造金属微结构包括第一金属分支，所述第一金属分支构成一边具有缺口的四边形状；一端设于该缺口相对的四边形边上并向该缺口延伸且突出该缺口的第二金属分支；垂直于所述第二金属分支另一端的第三金属分支。

[0009] 进一步地，所述玻璃幕墙还包括玻璃幕墙转向控制装置，所述转向控制装置包括温度感应装置以及电路控制装置。

[0010] 进一步地，所述基材中周期排布的人造金属微结构由三个相同的平面拓扑结构在三维空间共中心点两两垂直相交而成。

[0011] 进一步地，所述平面拓扑结构包括相互垂直相交呈“十”字形的两条第一金属分支；分别连接于该两条第一金属分支两端、长度小于该第一金属分支并垂直于该第一金属分支的四条第二金属分支；从该第二金属分支两端向内延伸的八条第三金属分支；一边具有缺口并设置于该四条第二金属分支围成的平面内的四边形状的第四金属分支，该第四金属分支的四边长度小于该第二金属分支且具有该缺口的一边不与该第一金属分支相交，其他三边均与该第一金属分支相交。

[0012] 进一步地，所述基材为玻璃。

[0013] 进一步地，所述人造金属微结构通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻或斜角沉积法排布于所述基材上。

[0014] 进一步地，所述人造金属微结构的材质为铜或者银。

[0015] 本发明利用超材料原理制成玻璃幕墙，摆脱了常规的玻璃幕墙由其自身的物理性质所必然产生的各类缺陷，例如反射现象严重、透射现象不好等。本发明玻璃幕墙在基材上周期排布人造金属微结构使得可见光能完全通过玻璃幕墙而不被反射，从而避免了现有玻璃幕墙的光污染问题。

附图说明

[0016] 图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图；

[0017] 图2a为本发明一种玻璃幕墙第一较佳实施例中附着于基材一侧表面的第一人造金属微结构拓扑示意图；

[0018] 图2b为本发明一种玻璃幕墙第一较佳实施例中附着于基材另一侧表面的第二人造金属微结构拓扑示意图；

[0019] 图3为本发明一种玻璃幕墙第二较佳实施例中附着于基材上人造金属微结构拓扑示意图；

[0020] 图4为图3所示人造金属微结构响应电磁场的等效拓扑示意图；

[0021] 图5为本发明一种玻璃幕墙第三较佳实施例中附着于基材中人造金属微结构拓扑示意图；

[0022] 图6为图5所示人造金属微结构拓扑示意图在二维平面的拓扑示意图；

[0023] 图7为图6所示人造金属微结构二维平面拓扑示意图对应三维空间垂直于该二维平面入射的电磁波而拆分的可对电场响应的多个等效拓扑示意图；

[0024] 图8为图6所示人造金属微结构二维平面拓扑示意图对应三维空间垂直于该二维平面入射的电磁波而拆分的可对磁场响应的多个等效拓扑示意图。

具体实施方式

[0025] 光，作为电磁波的一种，其在穿过玻璃的时候，因为光线的波长远大于原子的尺寸，因此我们可以用玻璃的整体参数，例如折射率，而不是组成玻璃的原子的细节参数来描述玻璃对光线的响应。相应的，在研究材料对可见光或其他电磁波响应的时候，材料中任何尺度远小于电磁波波长的结构对电磁波的响应也可以用材料的整体参数，例如介电常数ε、磁导率μ、折射率、阻抗等来描述。通过设计材料每点的结构使得材料各点的介电常数和磁导率都相同或者不同从而使得材料整体的介电常数和磁导率呈一定规律排布，规律排布的磁导率和介电常数即可使得材料对电磁波具有宏观上的响应，例如汇聚电磁波、发散电磁波、吸收电磁波等。该类具有规律排布的磁导率和介电常数的材料我们称之为超材料。

[0026] 如图1所示，图1为构成超材料的基本单元的立体结构示意图。超材料的基本单元包括人造微结构1以及该人造微结构附着的基材2。本发明中，人造微结构为人造金属微结构，人造金属微结构具有能对入射电磁波电场和/或磁场产生响应的平面或立体拓扑结构，改变每个超材料基本单元上的人造金属微结构的图案和/或尺寸即可改变每个超材料基本单元对入射电磁波的响应。多个超材料基本单元按一定规律排列即可使得超材料对电磁波具有宏观的响应。由于超材料整体需对入射电磁波有宏观电磁响应因此各个超材料基本单元对入射电磁波的响应需形成连续响应，这要求每一超材料基本单元的尺寸为入射电磁波波长的十分之一至五分之一，优选为入射电磁波波长的十分之一。当超材料需要对可见光响应时，则超材料上每一超材料基本单元的尺寸应为纳米级。本段描述中，我们人为的将超材料整体划分为多个超材料基本单元，但应知此种划分方法仅为描述方便，不应看成超材料由多个超材料基本单元拼接或组装而成，实际应用中超材料是将人造金属微结构周期排布于基材上即可构成，工艺简单且成本低廉。周期排布即指上述我们人为划分的各个超材料基本单元上的人造金属微结构能对入射电磁波产生连续的电磁响应。

[0027] 本发明即利用上述超材料原理制作一种玻璃幕墙，其摆脱了传统玻璃幕墙的自身材料的限制，具有对可见光优良的透射效果以及对红外区的光线优良的反射效果。

[0028] 由于可见光和红外区光线的频率不同，因此同一金属微结构对两种不同频率的光线具有不同的电磁响应，也即具有不同的反射和透射现象。设计一种或多种人造金属微结构，将其周期排布于基材上，即可实现上述功能。由于本发明的特殊用途，基材选取透明材质的基材，例如玻璃等。下面通过几个金属微结构实施例详细介绍本发明的设计思路。

[0029] 当需要本发明玻璃幕墙对可见光无反射时，则要求玻璃幕墙与可见光达到阻抗匹配，即阻抗 也即要求玻璃幕墙对可见光的相对介电常数ε和相对磁导率μ相等。当玻璃幕墙的基材表面未附着人造金属微结构时，其对可见光表现出具有初始相对介电常数ε1和初始相对磁导率μ1；当基材表面附着有人造金属微结构后，人造金属微结构会对入射可见光产生响应从而使得基材和人造金属微结构整体构成一种超材料，超材料对电磁场的响应会因人造金属微结构尺寸的变化而变化，即超材料的相对介电常数ε和相对磁导率μ会因人造金属微结构尺寸的变化而变化。

[0030] 本发明第一较佳实施例中，在基材两相对侧表面附着有不同的两种人造金属微结构，如图2a和图2b所示。基材一侧表面的第一人造金属微结构10包括相互垂直而连接成“十”字形的两个第一金属分支101，分别连接在每个第一金属分支101两端且垂直于第一金属分支101的第二金属分支102。基材另一侧表面的第二人造金属微结构20包括第三金属分支201，该第三金属分支201构成一边具有缺口2011的四边形状。该两个人造金属微结构在基材两相对侧表面一一对应。优选地，第一人造金属微结构10的第二金属分支102中点分别设于其所连接的该第一金属分支101的端点，第二人造金属微结构20由一边中点具有缺口2011的正方形状的第三金属分支201构成。

[0031] 当入射方向垂直于基材两相对侧表面的电磁波通过该玻璃幕墙时，第一人造金属微结构10的第二金属分支102分别聚集正负电子形成等效容性元件。根据公式ε＝(CS)/(4πkd)可知，其中ε为玻璃幕墙相对介电常数、S为第二金属分支面积、d为第二金属分支间隔、k为常数、C为等效电容量，玻璃幕墙的相对介电常数ε可通过调整第二金属分支102的面积S与第二金属分支102的间距d来调整，第二金属分支102的间距d即为第一金属分支101的长度；第二人造金属微结构20的第三金属分支201上形成环形电流，根据右手螺旋定则，环形电流产生磁场从而影响玻璃幕墙的相对磁导率μ。分别调节第一人造金属微结构10和第二人造金属微结构20的金属分支的尺寸和间隔即可调节人造金属微结构对入射电场和入射磁场的响应从而调节玻璃幕墙整体的相对介电常数ε和相对磁导率μ。

[0032] 图3为本发明第二较佳实施例的人造金属微结构拓扑示意图。该人造金属微结构30包括第一金属分支301，该第一金属分支301构成一边具有缺口3011的四边形状；一端设于缺口3011相对的四边形边上并向缺口3011延伸且突出缺口3011的第二金属分支302；垂直于第二金属分支302另一端的第三金属分支303。人造金属微结构30附着于基材两相对侧表面其中之一表面上，优选地，为了取得更好的吸波效果在基材两相对侧表面上均附着有人造金属微结构30且两相对侧表面的人造金属微结构成镜像对称，更优选地，每一侧表面的人造金属微结构30以第二金属分支302为对称轴成左右对称结构。

[0033] 本较佳实施例中人造金属微结构30相当于结合了第一较佳实施例中的第一人造金属微结构10和第二人造金属微结构20，其对垂直入射的电磁波的电磁响应原理与第一较佳实施例相同，即相对的金属分支等效为电容元件从而调整玻璃幕墙的相对介电常数ε，环形金属分支上感生的电流根据右手螺旋定则感生磁场从而调整玻璃幕墙的相对磁导率μ。具体到本实施例可表现为，如图4所示，人造金属微结构30拆分为呈“工”字形的第一部分30’以及呈一边缺口的四边形状的第二部分30”，第一部分30’的金属分支分别聚集正负电荷形成等效容性元件从而调整超材料的相对介电常数，第二部分30”的金属分支形成环形电流并感生磁场从而调整超材料的相对磁导率。同时，由于本较佳实施例对人造金属微结构独特的图案设计使得基材上附着一面人造金属微结构即可满足设计要求。

[0034] 由于上述第一较佳实施例和第二较佳实施例对电磁波入射角度有一定要求，即电磁波在垂直于玻璃幕墙表面入射时，效果最好。因此，在第一较佳实施例和第二较佳实施例的基础上，本发明还提供一种玻璃幕墙转向控制装置。其包括温度感应装置与电路控制装置，当温度感应装置感知玻璃幕墙温度较低时则说明玻璃幕墙吸收光线较少，需要通过电路控制装置控制玻璃幕墙的转向。当然亦可事先计算好不同时段阳光照射到玻璃幕墙的照射角度，而在电路控制系统中预先存放该些参数以控制玻璃幕墙的转向。

[0035] 图5为本发明第三较佳实施例的人造金属微结构的结构示意图。其与第一较佳实施例和第二较佳实施例的不同之处在于，其采用了三维的人造金属微结构而非第一较佳实施例和第二较佳实施例中的二维人造金属微结构。三维的人造金属微结构使得玻璃幕墙对三维空间任意方向入射的电磁波均能达到有效响应。请参照图6，图5中的三维人造金属微结构是由图6所示的平面拓扑图案在三维空间共中心点两两垂直相交而成。如图6所示，平面拓扑图案包括相互垂直相交呈“十”字形的两条第一金属分支401；分别连接于两条第一金属分支401两端，长度小于第一金属分支401并垂直于第一金属分支401的四条第二金属分支402；从第二金属分支402两端以相同角度向内延伸的八条第三金属分支403；一边具有缺口4041并设置于第二金属分支402围成的平面内的四边形状的第四金属分支404，第四金属分支404的四边长度小于第二金属分支402，具有缺口4041的一边不与第一金属分支401相交，其他三边均与第一金属分支401相交。

[0036] 当三维空间任意入射方向的电磁波通过该玻璃幕墙时，电磁波的电场方向对应的平面的金属分支之间的间隔等效为容性元件。根据公式ε＝(CS)/(4πkd)可知，玻璃幕墙的相对介电常数ε可通过调整具有间隔的金属分支的面积S以及间距d来调整；电磁波的磁场极化方向对应的平面整体等效为感性元件并在其上形成环形电流，根据右手螺旋定则，环形电流产生磁场从而影响玻璃幕墙的相对磁导率μ。

[0037] 具体到本实施例中，将图6所示的二维拓扑图案看作为本发明人造金属微结构其中的一个平面拓扑结构，当入射方向垂直于该平面的电磁波通过该玻璃幕墙时，该平面拓扑图案响应三维空间垂直于该平面的任意入射方向的电磁波可等效拆分为如图7和图8所示的多个拓扑结构。其中图7为平面拓扑结构响应电场而拆分的多个拓扑结构，图8为平面拓扑结构响应磁场而拆分的多个拓扑结构。图7中被拆分的拓扑结构是由三类组成：(1)两对第二金属分支402，(2)四队第三金属分支403，(3)缺口4041相对的第二金属分支402以及缺口4041相对的对边4042。图8中平面拓扑结构拆分为多个开口环形金属分支，主要由两类组成：(1)第一金属分支401、第三金属分支403以及连接第一金属分支401和第三金属分支403的部分第二金属分支402，(2)第四金属分支404。从图7和图8中可以看出，由于本发明特殊的拓扑结构设计使得入射方向为三维空间垂直于平面拓扑结构任意方向的电磁波通过玻璃幕墙时，玻璃幕墙都可以通过调整人造金属微结构各个金属分支的面积和/或长度来调整玻璃幕墙整体的相对介电常数和相对磁导率。进一步地，本发明整体人造微结构由三个相同的该平面拓扑结构在三维空间两两共交点垂直相交而成，因此本发明人造金属微结构对应三维空间任意入射方向的电磁波均可调整其相对介电常数和相对磁导率，无需增设温控装置和玻璃幕墙转向控制装置。

[0038] 利用上述原理不断调整各人造金属微结构的图案和尺寸并进行计算机仿真即可得到所需的人造金属微结构。由于玻璃幕墙还需要起到通光的作用，因此在无反射光的基础上还需要增加玻璃幕墙的透射率。

[0039] 在电磁波有损耗时，采用复折射率来描述电磁波的透射现象。负折射率n＝n1+in2，玻璃幕墙厚度为L。r和t表示玻璃幕墙的反射系数和透射系数。反射系数r为0时，即达到阻抗匹配，透射系数越大表示透光性越好。

[0040] 当阻抗匹配时，透射系数 增加透射系数t可通过减小复折射率n的虚部n2或者减小玻璃幕墙的总厚度L。减小虚部n2需要重新调整人造金属微结构的尺寸和/或图案，此种办法较为复杂，因为需要兼顾阻抗匹配条件。通常的做法为减小玻璃幕墙的总厚度L。由于超材料需对入射电磁波产生连续的响应，因此每层超材料厚度是固定的，减小玻璃幕墙的总厚度即通过减小构成玻璃幕墙的超材料片层的层数实现。经测试可知，当超材料片层层数小于等于20时，玻璃幕墙的透射效果较好。

[0041] 本发明的玻璃幕墙由多片片状基材无间隙的叠加而紧密结合构成一个整体。基材可选取各类透明材质的基材，例如玻璃等。在基材表面上附着人造金属微结构的制造工艺有多种，例如蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻、离子刻等。本发明采用斜角沉积法，即在真空中以倾斜角度将金属微结构沉积在基板上，主要步骤为先以电子轰击金属块使其气化，然后让金属蒸汽沉积在基板上，通过调整基板的倾斜角度，让金属在自我遮蔽效应作用下优先朝蒸汽注入的方向生长成纳米金属微结构。本发明金属微结构材质为银或其他人造的透明金属。

[0042] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。