新型功能玻璃

1 新型功能玻璃新型功能玻璃 摘要 摘要 玻璃这一传统材料在随着现代科技的发展 发挥着愈来愈重要的 作用 介绍玻璃形成规律以及几种新型功能玻璃材料 关键词关键词 玻璃的概述 新型功能玻璃 新材料 正文 正文 玻璃是无机非金属材料科学与工程领域的重要组成部分也是非晶态固体中 最重要的一族 人类对传统玻璃进行了研究与创新发明了许多性质与功能与传 统玻璃截然不同的新型功能玻璃材料 使这类玻璃具有了传统玻璃不同的光学 力学 电磁学 热学性质 玻璃科学已经成为新兴的应用型科学 下面主要 介绍玻璃的形成理论及几种新型玻璃材料 一 传统玻璃的概述一 传统玻璃的概述 玻璃的狭义定义是 熔融物在冷却过程中不发生 结晶的无机物质 然而 若根据制成材料的状 态及性质来对玻璃进行科学分类 就不能采用上 面分类方法 下面介绍的新型玻璃材料具有经典 玻璃的各种性质 我们也可称其为玻璃 玻璃具 有的一些通性 各向同性 介稳性 玻 璃是一种不稳定的高能量状态 无固定熔点 物理性质的渐变性 形成玻璃的物质有很多 主要分为元素玻璃 氧化物玻璃及非氧化物玻璃三类 其结构具有近程有序 远程无序的特点 就是说其在宏观上均匀和无序的 微观上又是微不均匀和有序的 常见的传统玻璃有硅酸盐玻璃 硼酸盐玻璃 磷酸盐玻璃 二 新型玻璃介绍二 新型玻璃介绍 1 1 传统玻璃的深化以及发展传统玻璃的深化以及发展 钢化玻璃 镀膜玻璃 空腔玻璃 自清洁玻璃 钢化玻璃 镀膜玻璃 空腔玻璃 自清洁玻璃 钢化玻璃是指平面玻璃经过再处理 在玻璃表面形成压应力层 使玻璃 2 具有传统玻璃所不具有的较高力学强度和热冲击性能 其具有的优良性质 钢 化玻璃在受到外力破坏时 碎片会变成类似蜂窝状的钝角碎小颗粒 不易对人 体造成严重的伤害 它的强度是传统玻璃的3 10倍 抗弯曲强度比一般玻璃大4 5倍 抗张强度提高 弹性模量下降 其可经受温度突变的范围是250 320 而传统的同等厚度玻璃只能经受70 100 的温度变化 现在钢化玻璃应用已经相当广泛 例如高空建筑 汽车制 造等 但它也存在容易发生自爆 不能进行加工 玻璃表面损伤后强度衰减严 重的问题 要解决这些问题 不是仅仅依靠一两项显而易见的技术就能实现的 而是需要依靠每个环节品质的提高 每个因素的良好解决 合理先进的技术 和良好的创造手段来保证 镀膜玻璃 是指在玻璃表面涂抹一层金属 合金 或金属氧化物薄膜 是玻璃表面的改性产品 能改变玻璃对太阳辐射的反射率和吸收率 保证可见 光的透射率 减少进入室内的太阳能辐射 提高远红外线的反射率 从而减少 室内热量散失 实现降低能耗 普通浮法玻璃的辐射率高达0 84 肖镀上一层 以银为基础的低辐射薄膜后 其辐射率可降至0 15以下 镀膜玻璃要综合考虑 其对玻璃光学 电学 力学 化学性能的改变 现在应用也相当广泛 如汽车 车窗的贴膜 以及建筑上的贴膜 空腔玻璃包括中空玻璃 真空玻 璃等类型 现在被广泛应用于门窗建筑 极大减少了室内与外界的热量交换 降低了资源与能源消耗 其具有节能 防霜露 隔音作用 由于中空玻璃保温 性能较好 内外两层玻璃温差尽管很大 但由于隔层空气是干燥的 不会结露 高质量的中空玻璃可以保证在室外温度 40 是不会结露 真空玻璃两块玻璃之间的夹层非常小通常只有0 2 0 3mm 空腔腔内抽真空无气 体 真空度达到0 1帕以上 因此真空玻璃具有比中空玻璃还要好的隔热防霜性 3 能 还具有耐风压 厚度薄 易安装等优点 具有广阔的发展前景 自清洁是指玻璃经过特殊的物理化学方法后 其表面产生无需人工擦洗 而达到清洁独特的物理性质 自清洁玻璃主要是运用光电转化效应 光催 2 TiO 化效应和光的诱导亲水性 研究发现 在微弱光下即在太阳光下 紫外光强度 约为1 或在日光灯 紫外光强度约为0 2 2 mW cm 照射下 吸收近紫外光后 光生电子和空穴分别使表面吸 2 mW cm 2 TiO 2 TiO 附的氧还原和水氧化 生成和 2 O 自由基 这些自由基促以使玻璃表面的有机污物 微生物和细菌分解为OH 和等简单有机物 与此同时 还发现薄膜经微弱光照射后 2 CO 2 H O 2 TiO 2 TiO 表面具有亲水性和光催化活性 如果遮断光源 这两种特性在黑暗中仍能保持 一段时间 人们在研究中发现了纳米不仅具有光之亲水性和光催化性能 2 TiO 还具有光生电子 空穴的强氧化能力 化学稳定性和无毒特性 人们开始把纳米这种光催化 2 TiO 材料应用于幕墙玻璃及其他玻璃 它能够利用阳光 空气 雨水 自动保持玻 璃表面的清洁 并且玻璃表面所镀的TiO2膜或其他半导体膜还能分解空气中的 有机物 以净化空气 且催化空气中的氧气使之变为负氧离子 从而使空气变 得清新 同时能杀灭玻璃表面的细菌和空气中的细菌 减少人工费用以及资源 浪费 2 2 微晶玻璃微晶玻璃 微晶玻璃是20世纪50年代末发展起来的新型材料 指玻璃熔体缓慢降温 或是其在低于熔化温度的适当温度区间内保温 这时候玻璃将析晶 或叫失透 直径大约在m 玻璃在失透时获得晶体尺寸微小 晶粒均匀分布的晶体 6 10 与非晶体的混合物 人们将之称为微晶玻璃 微晶玻璃的化学组成包括基础玻璃成分和成核剂两部分 基础玻璃成分一般含 有一定量的 和以形式存在的等玻璃网络形成体 2 SiO 23 B O 25 PO 4 AlO 23 Al O 成核剂可以促进基础玻璃在热处理过程中的晶核形成 促进玻璃的整体晶化 微晶玻璃在结构和性能与陶瓷和玻璃均大不相同 微晶玻璃的性质是由晶 相的矿物组成 玻璃相的化学组成以及它们的含量决定的 因而具有较低的热 4 膨胀系数 较高的机械强度 显著地耐腐性 抗风化性 良好的抗热震性 低 电阻率 高热软化温度和热温度性高 微晶玻璃集中了玻璃 陶瓷及天然石材 的三重优点 优于天石材和陶瓷 可用于建筑幕墙及室内高档装饰 还可做机 械上的结构材料 电子 电工上的绝缘材料 大规模集成电路的底板材料 微 波炉耐热列器皿 化工与防腐材料和矿山耐磨材料等等 微晶玻璃作为二十一世纪最有生命力和发展前景的新型建材 展现了它独 特的魅力 在传统建筑陶瓷的结构调整以及产业提升的关键时期 微晶玻璃复 合板使抛光砖走进了玉器和精工时代 也使传统建筑陶瓷真正走进了数字化装 备与新材料 新工艺相融合的时代 未来随着功能化陶瓷墨水的开发和应用 传统建筑陶瓷将进人数字 低碳 功能 智能的新时代 3 3 防火玻璃防火玻璃 防火玻璃分为单片防火玻璃和复合防火玻璃 单片防火玻璃以硼硅酸盐防火玻璃为例其组成成分 质量分数 70 80 8 13 2 4 4 10 2 SiO 23 B O 23 Al O 具有较好的透光性能 较高的表面平整度 较低的荧光性能 较好的热 2 R O 稳定性 强度很高 良好的抗盐碱性和抗水解性 特别是对于玻璃表面的微裂 纹 硼硅酸盐不会由于潮湿空气中的水分子作用而引起裂纹扩张 因而表现出 较好的水稳定性 复合防火玻璃是由两片玻璃与中间的防火层构成 用来制作复合防火玻璃 可以是平板玻璃也可以是钢化玻璃 其防火是由于受火面的玻璃因应力而炸裂 防火胶片层对玻璃较好的粘接性 炸裂的玻璃碎片被粘在另一面 仍然是个 整体 阻止火焰蔓延 中国在泡沫防火玻璃方面取得了一些成就 其在保温和防火方面均有显著 效果 泡沫玻璃又称多孔玻璃 以碎玻璃 废旧玻璃为原料 掺入少量的发泡 剂与外加剂 经高温焙烧而成 是一种高级的隔热保温材料 其特点是表面密 度很小 强度很高 导热系数低 热阻大 抗冻融性好 吸水率低 不燃烧 吸声 耐腐蚀和可加工性能好 不仅广泛应用于石油 化工 冷藏 国防等领 域 而且也是环保节能的新型建筑 装饰材料 泡沫玻璃以其永久性 安全性 高可靠性 在低热绝缘 防潮工程 吸声等领域占据着越来越重要的地位 5 在建筑领域 泡沫玻璃用作墙体保温材料 可以恒久保持隔热性能 用于屋面 保温 还可以起第2道防水作用 因此 在众多隔热保温材料中 泡沫玻璃是未 来住宅最理想的节能环保型保温材料之一 可以广泛应用于住宅的房顶 地板和墙壁保温 4 4 光功能玻璃光功能玻璃 光功能玻璃现在发展出非线性光学玻璃 梯度折射率玻璃和光伏玻璃等类 型 随着光通讯 信号处理和计算机科学技术与装备的发展对光子开关提出 了实用化的要求 而玻璃非线性光学材料具有高的透明度 化学稳定性 热稳 定性 快的响应时间 低光学耗损及容易制造特点 特别是半导体量子阱和超 晶格材料出现后 应用开始广泛 量子点玻璃因具有强三维量子禁阻效应PbS 和高三阶非线性极化率而被认为是实现1 3 m激光发射理想材料 梯度折射率玻璃 折射率受材料中带电离子的极化能力和其浓度的影响 不同阳离子具有不同的极化能力 改变玻璃的组成就能改变折射率 由于折 射率不同 导致光在其中以曲线的形式传播 因而被广泛应用于光传播 通讯 系统 主要产品为光学透镜和光波导纤维 梯度折射透镜中 径向梯度折射透 镜沿光轴方向变化 具有聚焦能力 轴向折射率透镜折射率透镜的折射率沿光 轴方向变化 以变化的折射率矫正球相差 这类透镜特别适用于激光系统 而 其制成的光导纤维可以减少因膜间色散引起的迟疑 而且比阶跃型光纤的光损 耗小 有脉冲畸变小 频带宽 信息容量大等优点 光伏玻璃分类 用于太阳能电池的光伏玻璃基片 一般包括超薄玻璃 表面镀膜玻璃 低铁含量的 超白 玻璃等类型 根据使用的性质和制造方法不 同 光伏玻璃又可分为3种产品 即平板型太阳能电池的盖板 一般为压延玻璃 在平板玻璃表面镀上通常厚度只有几微米的半导体材料制成的薄膜电池导电 基片 集热式光伏系统使用的透镜或反光镜类的玻璃 这3种产品的特性和作用 完全不同 其附加值也有很大的差别 如今应用最广的太阳能光伏玻璃是高透光率玻璃 它是低铁含量的玻璃 也就是我们俗称的超白玻璃 铁在普通玻璃中属于杂质 吸热玻璃除外 铁杂 质的存在 一方面使玻璃着色 另一方面增大玻璃的吸热率 也就降低了玻璃 6 的透光率 玻璃中的铁是由原料本身 耐火材料或金属材质的生产设备等引入的 不 可能完全避免 人们只能通过生产控制尽可能减少铁在玻璃中的含量 目前 太阳能电池玻璃的铁含量在0 008 0 02 之间 而普通浮法玻璃的铁含量0 7 以上 低的铁含量杂质可带来高的太阳光透过率 就国内应用最多的3 2mm厚 和4mm厚玻璃而言 太阳光可见光透射比一般达到90 92 5 5 多功能复合玻璃多功能复合玻璃 每种玻璃均有其优缺点 在应用中要扬长避短 下面介绍一种Low E中空玻璃 它集节能 防火 隔音 降低噪音 等优良性能于一身 在中空玻 璃中被誉为 世界级新产品 复合玻璃可以实现不同种玻璃之间的优势互补 而形成自己特有的性质 玻璃的应用正在发生这天翻地覆的变化 传统的玻璃材料已经不能满足今 天的要求 玻璃产生的光污染也厄待解决 新型的玻璃材料必定是向着节能 健康 对环境影响小方向发展 而这些新出现的新型玻璃材料也会随着发展综 合程度越来越强 复合玻璃是它们的发展方向 书刊 1 新型功能玻璃材料 中南大学出版社 1 2 5 2 新型建筑材料 中国电力出版社 1 2 3 期刊 1 三种新型材料节能玻璃助力建筑门窗节能 广东建材 Guangdong Building Materials 2011 Vol 27 09 pp 5 6ISSN 1009 4806 4 5 2 徐美君 玻璃与搪瓷 Glass Enamel 2011 Vol 39 06 pp 47 47 ISSN 1000 2871 4 3 高武 刘家磊 薄淑晖 刘新厚 甄珍