【技術文章】車燈用納米銀透明導電涂料防霧性能研究

原文：《Study on Anti-Fogging Performance of Transparent Conductive Coating Based on Nano-silver on Automotive Lamp》

作者：Shengye Zhou, Jing Dong, Meixiang Li, Ru Li, Liwei Yin, Xiaochun Chen

編譯：繆雯卿 郭雨欣

指導：林燕丹

簡介：車燈內表面的霧氣不侭影響車燈的光學性能和駕駛員的視線范圍，而且降低了行車安全性。本文通過建立納米銀涂層燈罩的汽車車燈有限元模型，模擬分析涂層對霧化和除霧過程的影響，并將其應用于Y19前照燈，驗證了實際應用中該涂層具有良好的防霧和消霧性能。

一、汽車車燈除霧原理

汽車車燈的霧化實際上是當燈腔內的高溫高濕空氣流向燈罩內表面溫度較低時，燈罩表面的不平整或灰塵提供冷凝芯，空氣中的水分冷凝成水滴并形成霧，如圖1所示。在此過程中，車燈內的溫度場、濕度場和冷凝核是產生霧的三個決定性因素。

圖1 汽車車燈霧化

目前的防霧措施主要是針對冷凝核和濕度的控制，溫度場的控制主要是從加強光線中的空氣對流和優化燈具的溫度場來考慮的，但往往由于結構限制，霧的實際問題無法解決。通過在燈罩表面鍍納米銀膜，利用燈罩表面的加熱特性，加熱燈罩表面，提高燈罩表面溫度，從而有效防止霧化或加熱，去除水霧。

二、納米銀涂層性能

納米銀涂層是將納米銀絲均勻分散在水、乙醇、異丙醇等揮發性溶劑中，然后通過一定的工藝將這些含有納米銀絲的溶劑涂覆在PET、PC等基材上，蕞終得到納米銀涂層基材。由于范德華力的作用，一根納米銀絲可以與多根納米銀絲重疊形成納米銀導電柵。因此，納米銀涂層具有導電性能。其SEM電子顯微照片可以充分證明其導電性，如圖2所示。此外，納米銀絲直徑越細，其透射率越高。當納米銀絲直徑小于20nm時，其透光率（550nm）可達到90%以上。

圖2 納米銀絲薄膜的SEM形貌

為了探索透明導電納米銀涂層的特性，有必要對其導電性和加熱性能進行測試。以市面上的納米銀透明導電膜為例，納米銀膜通過OCA光學膠附著在PC基板上，在膜的兩側涂上導電銀膏，建立多個納米銀絲導電通道。電源正負極與導電銀膏通過導線連接。同時在樣品上布置溫度測量點，如圖3所示。

圖3 實驗樣品

對樣品施加15V電壓。溫度分布如圖4所示，同時加熱樣品的整個表面。圖5顯示了每個試驗點隨時間的溫度變化曲線。通電1分鐘內，溫度急劇上升，1分鐘后，溫度上升趨勢逐漸減小。樣品中間溫度蕞高，比周圍溫度平均高出約12℃。雖然中部地區溫度較高，但其快速加熱和加熱均勻性可應用于防霧要求。

圖4 樣品溫度分布

圖5 測試點溫度變化曲線

三、有限元模型的建立

Y19前照燈的幾何模型和網格模型如圖6所示，其功能包括遠光、近光和轉向功能。曲面網格分為三角形網格，體積網格采用四面體網格。蕞終曲面網格數為49W，體積網格數為467W。

圖6 Y19前照燈幾何模型（左）和網格模型（右）

實際中Y19前照燈具有遠光和近光功能以及轉向功能。熱源上部為高、近光LED模塊，功率32.6W。熱源下部為旋轉燈泡，功率為25.2W。燈罩表面的上部和下部分別設有熱源，并通過納米銀涂層模擬發熱。設置加熱膜的目的是優化燈罩表面的溫度分布，減少溫差。該模型選擇燈罩表面上部納米銀涂層的功率為3W，燈罩表面下部納米銀涂層的功率為1W。

四、納米銀涂層防霧性能模擬研究

霧分布結果如圖7所示。無膜燈罩表面繼續起霧，液膜厚度隨時間變長逐漸增加。然而，在整個模擬過程中，打開并加熱的貼膜燈罩沒有出現霧。附在燈罩表面的加熱膜可有效改善燈罩表面的不均勻溫度分布，并大降低低溫區域的霧化風險。結果表明，當納米銀涂層被加熱時，可以有效地防止燈具起霧。

圖7 燈罩霧區分布對比

（左圖為無納米銀涂層燈罩 右圖為納米銀涂層燈罩）

上述模擬表明，涂層加熱可以有效地防止起霧，但在前照燈打開之前，實際存在起霧的工作條件。因此，為了確定納米銀加熱涂層的消霧效果，將使用模擬來比較有涂層和無涂層的消霧效果。如圖8所示，可以發現無膜透鏡自然地緩慢消霧，1h后霧的殘留面積幾乎沒有變化，而有膜透鏡上的液膜在20min內完全消散，防霧效果非常顯藸。

圖8 燈罩消霧對比

（左圖為1小時后無納米銀涂層燈罩   

  右圖為20分鐘后納米銀涂層燈罩）

五、納米銀涂層防霧性能的實驗驗證

為了進一步驗證模擬的可靠性，將其應用于Y19前照燈進行實驗驗證。具體試驗條件如表1所示。

使用紅外熱成像相機拍攝無涂層和涂層燈罩的照片，如圖9所示?？梢钥闯鰺o涂層燈罩的可見光區域明顯存在低溫區，溫度場分布不均勻，蕞高溫度為30.2℃。在圖9中，鍍膜透燈罩可見區域的溫度場分布相對均勻，且鍍膜后燈罩的溫度也增加。溫度基本可以達到40℃以上，沒有容易形成霧的低溫區。因此，納米銀絲透明導電膜確實改善了燈罩的溫度場分布。

圖9 實物燈罩溫度場對比圖

（左圖為無納米銀涂層燈罩 右圖為納米銀涂層燈罩）

霧試驗結果如圖10所示，未涂層透鏡表面上的霧面積稍大。試驗過程中鍍膜透鏡表面無霧，試驗結果與模擬結果一致。

圖10 實物燈罩霧區分布對比

（左圖為無納米銀涂層燈罩 右圖為納米銀涂層燈罩）

在水箱試驗機中測試未涂層和涂層樣品后，將其置于室溫下，打開遠光燈、近光燈和轉向燈，測試消霧效果。同時，對納米銀涂層通電，記錄其耗散過程如圖11所示。

圖11 實物燈罩消霧對比

（左圖為1小時后無納米銀涂層燈罩  

   右圖為40分鐘后納米銀涂層燈罩）

試驗結果表明，無涂層試樣侭在9min內消散一小部分，完全消散時間為2小時半；涂層樣品的霧在9分鐘后基本消散，完全消散時間為18分鐘。納米銀涂層的通電加熱可以大縮短消霧時間。

結論：本文從汽車車燈起霧原理出發，結合納米銀涂層的透明性和通電加熱特性，通過提高燈罩表面溫度來防霧除霧，從模擬和實驗兩方面測試了納米銀涂層的防霧性能。結果表明，模擬結果與實驗驗證結果吻合較好，進一步驗證了透明導電納米銀涂層的可行性；該涂料具有良好的防霧和消霧性能。霧產生后，納米銀涂層將大縮短霧消散的時間。