淺談硼硅酸鹽玻璃的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

1、淺談硼硅酸鹽玻璃的應(yīng)用現(xiàn)狀和開(kāi)展趨勢(shì)安徽蚌埠233000王寒生摘要：硼硅酸鹽玻璃具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，已在儀器玻璃、器皿玻璃等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；隨著玻璃熔制工藝和耐火材料的開(kāi)展，硼硅酸鹽玻璃將在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。本文結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用情況，概括和總結(jié)了硼硅酸鹽玻璃的應(yīng)用現(xiàn)狀和開(kāi)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：硼硅酸鹽玻璃、性能、應(yīng)用現(xiàn)狀、開(kāi)展趨勢(shì)一引言硼硅酸鹽玻璃是指根本成分為SiO2：、B2O3。、Na20的玻璃，根本組成范圍是：(SiO2)一7080、(B203)一615、(Na20)一410、(A120。)一O5、(Ba0)一02、(Ca O)=o2。幾種典型的代表成分如下：硼硅酸鹽玻璃幾

2、種典型代表成分研究說(shuō)明1_2，其中Na。O提供游離氧，使硼氧三角體BO。轉(zhuǎn)變?yōu)榕鹧跛拿骟wB2O3，硼的結(jié)構(gòu)由層狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧軤?，為B203。與SiO2：形成均勻一致的玻璃創(chuàng)造條件；B2O3。以B2O3或B2O3進(jìn)人玻璃結(jié)構(gòu)，尤其是當(dāng)其以B2O3與SiO2。共同組成結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，使網(wǎng)絡(luò)完整性和緊密程度增加，因此硼硅酸鹽玻璃具有許多優(yōu)良的性能：如良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、機(jī)械性能和工藝性能好、優(yōu)良的光學(xué)性能等。硼硅酸鹽玻璃與普通鈉鈣硅玻璃相比，在許多方面有其優(yōu)越性：1)熱學(xué)性能 硼硅酸鹽玻璃由于其高含量的SiO2：與B2O3。使得其網(wǎng)絡(luò)完整性和致密度較普通鈉鈣硅玻璃好，具有優(yōu)良的熱學(xué)性能。如其熱膨脹系

3、數(shù)一般小于60×10_7，而普通鈉鈣硅玻璃約為(90100)×101；硼硅酸鹽玻璃耐熱沖擊性T一般大于150，被稱為硬質(zhì)玻璃或特硬玻璃，普通鈉鈣硅玻璃那么小于100。因此硼硅酸鹽玻璃具有較好的熱穩(wěn)定性，可被應(yīng)用于器皿炊具、建筑防火等領(lǐng)域。(2)光學(xué)性能原料純、混合均勻和加工精密，加之本身的優(yōu)良性能，導(dǎo)致硼硅酸鹽玻璃具有較高的透光率。較好的透光性能、較高的外表平整度和較低的熒光性能，使得硼硅酸鹽玻璃可被應(yīng)用在電泳、光學(xué)、光子學(xué)和光電學(xué)等領(lǐng)域。由于硼硅酸鹽系統(tǒng)比硅酸鹽系統(tǒng)對(duì)稀土氧化物的溶解能力大，玻璃形成范圍相對(duì)較廣，因此稀土硼硅酸鹽系統(tǒng)成為人們研究稀土光學(xué)玻璃的主要系統(tǒng)。研究

4、說(shuō)明3，含鑭硼硅酸鹽玻璃系統(tǒng)可有望作為開(kāi)展高密度玻璃的系統(tǒng)。(3)機(jī)械性能硼硅酸鹽玻璃不僅具有較高的抗熱沖擊強(qiáng)度，還具有較高的外表硬度4|，可以防止刮痕；同時(shí)，其密度比普通鈉鈣硅玻璃低12左右(硼硅酸鹽玻璃一般為23 gcm3，鈉鈣硅玻璃一般為25 gcm3)。這些顯著的優(yōu)勢(shì)意味著硼硅酸鹽玻璃將得到許多重要的應(yīng)用，如用作建筑尤其是高層建筑用玻璃，將大大降低整體建筑物的重量，這也符合現(xiàn)代建筑開(kāi)展的輕質(zhì)高強(qiáng)方向；還可用作防彈玻璃和裝甲車(chē)玻璃等。此外，由于其強(qiáng)度高、重量輕、鍵合強(qiáng)度高，如果將其應(yīng)用在需要疊層、夾層的領(lǐng)域時(shí)，會(huì)極大地降低本錢(qián)、體積和重量。(4)化學(xué)性能硼硅酸鹽玻璃除了具有良好的抗酸抗堿

5、性，它還具有相當(dāng)好的抗水解性，比鈉鈣硅玻璃高兩個(gè)等級(jí)。它可以抵抗空氣中的水蒸汽，甚至含液態(tài)酸或堿的水的侵蝕。而鈉鈣硅玻璃那么不同，會(huì)明顯地受到侵蝕。特別是對(duì)于玻璃外表的微裂紋，硼硅酸鹽玻璃不會(huì)由于潮濕空氣中的水分子作用而引起裂紋擴(kuò)張，因而表現(xiàn)出較好的水穩(wěn)定性，而鈉鈣硅玻璃那么不同。二應(yīng)用現(xiàn)狀如前所述，由于硼硅酸鹽玻璃具有許多獨(dú)特優(yōu)異的性能，該系統(tǒng)的玻璃得到了廣泛的應(yīng)用和開(kāi)展，可按應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)劃分。21儀器玻璃儀器玻璃是指用于制造化學(xué)、生物和實(shí)驗(yàn)室器皿、管材和裝置的玻璃。儀器玻璃已被廣泛用于科研、文化教育、化工、醫(yī)藥衛(wèi)生及各種工業(yè)生產(chǎn)以及宇航、激光、生物工程、核工程等高新技術(shù)領(lǐng)域。對(duì)儀器玻璃，其要

6、求是：化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高、工藝性能好等。而這正好與硼硅酸鹽玻璃具有的優(yōu)良性能相吻合，此類玻璃具有較高含量的SiO2。與B2O3。儀器玻璃種類繁多。按其性能、用途和工藝可分為：化學(xué)器皿：如燒杯、燒瓶、曲頸瓶、蒸發(fā)皿等；物理、化學(xué)儀器：如微量蒸餾燒瓶、微量蒸餾管、分餾管、試管等；厚壁制品：如酒精燈、鐘罩、枯燥器、水槽等；量器：如沉淀管、量筒、量杯、滴定管等；溫度計(jì)制品：如溫度計(jì)、比重計(jì)、酒精計(jì)等。22器皿與炊具玻璃玻璃器皿是玻璃工業(yè)的一個(gè)重要分支，根本屬于壓制和吹制類玻璃制品，其產(chǎn)量?jī)H次于平板玻璃和瓶罐玻璃而位居第三。其特點(diǎn)是：透明度高、顏色艷麗、富有光澤、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好

7、、機(jī)械強(qiáng)度高。其中玻璃炊具要求抗熱沖擊性好，一般在150以上才能直接用明火加熱。用于玻璃炊具的玻璃主要有硼硅酸鹽玻璃和微晶玻璃兩大類。它們的特點(diǎn)是熱膨脹系數(shù)低(一般在40×10_7以下)、抗熱沖擊強(qiáng)度高(一般在150以上)。除用于炊具外，它還用于電爐的面板、微波加熱器的頂板等廚房用加熱部件。23藥用玻璃藥用玻璃是醫(yī)藥包裝行業(yè)的一個(gè)主要分支，也是整個(gè)醫(yī)藥工業(yè)的一個(gè)重要組成局部。藥用玻璃通常是指較高化學(xué)穩(wěn)定性的中性玻璃。它要求化學(xué)穩(wěn)定性高、密封性好、機(jī)械性能強(qiáng)等，此類玻璃以硼硅酸鹽玻璃為主。幾種主要的藥用玻璃為：(1)安瓿玻璃。指灌裝針劑或藥粉用的細(xì)頸薄壁玻璃小瓶。安瓿玻璃最為重要的是它

8、的化學(xué)穩(wěn)定性，這種玻璃的根底組成為硼硅酸鹽玻璃。水針劑主要為安瓿玻璃，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)年需求量為290億支，我國(guó)醫(yī)藥針劑將以每年5的速度增長(zhǎng)，2021年將到達(dá)375億支，1015的針劑需要耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿及避光的安瓿。(2)輸液瓶，又稱鹽水瓶。其化學(xué)組成以鋁硼硅酸鹽或低硼硅酸鹽玻璃為主。主要用來(lái)盛裝生理鹽水、葡萄糖溶液等藥液，要求這種藥瓶具有良好的中性，一定的抗熱震性和機(jī)械強(qiáng)度。(3)注射器玻璃。通常以鋁硼硅酸鹽玻璃制造，使用前必須經(jīng)高壓蒸氣消毒滅菌，以防止細(xì)菌感染。因此，要求注射器玻璃具有良好的耐熱性能和較好的化學(xué)穩(wěn)定性。24眼鏡玻璃和視鏡光致變色玻璃一般分為均相型和異相型兩大類，異相型光致變色玻璃

9、形成系統(tǒng)十分廣泛，其組成主要為硼硅酸鹽玻璃。光致變色玻璃最普遍用作眼鏡玻璃，以外，也可以用于汽車(chē)防護(hù)玻璃、激光防護(hù)、航天器的窗口材料、新型儀器的開(kāi)關(guān)等。工業(yè)玻璃視鏡是在一定溫度和壓力條件下使用的透視窗口玻璃，具有透明度高、耐溫、耐壓、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。目前研制生產(chǎn)的玻璃視鏡有“無(wú)堿鋁硅玻璃視鏡、“硼硅酸鹽玻璃視鏡、“石英玻璃視鏡三大系列，數(shù)個(gè)品種。工業(yè)玻璃視鏡廣泛用于石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)的管道、閥門(mén)、裂解爐、儲(chǔ)液罐等壓力容器和儀器儀表。25玻璃纖維生產(chǎn)玻璃纖維用的玻璃不同于其它玻璃制品的玻璃。目前國(guó)際上已經(jīng)商品化的纖維用的玻璃成分主要有4種：E一玻璃，亦稱無(wú)堿玻璃；C一玻璃，亦稱中堿玻璃；

10、A玻璃，亦稱高堿玻璃；ECR玻璃，是一種改良的無(wú)硼無(wú)堿玻璃。目前應(yīng)用最廣泛的一種玻璃纖維是被稱為E一玻璃的一種硼硅酸鹽玻璃，它具有良好的電氣絕緣性及機(jī)械性能，廣泛用于生產(chǎn)電絕緣用玻璃纖維，也大量用于生產(chǎn)玻璃鋼用玻璃纖維，它的缺點(diǎn)是易被無(wú)機(jī)酸侵蝕，故不適于用在酸性環(huán)境。26玻璃鱗片防腐蝕涂料采用玻璃鱗片制成的重防腐蝕涂料，在國(guó)外60年代就使用在各重大防腐工程上，收到良好的防腐效果，引起了世界各國(guó)涂料專家的廣泛注意。玻璃鱗片美國(guó)歐文斯康寧公司(Owens Corning)創(chuàng)造，1957年獲得了玻璃鱗片及其涂料的第一個(gè)專利。據(jù)有關(guān)資料介紹5，制鱗片用的玻璃一般采用硼硅酸鹽玻璃。之所以選用硼硅酸鹽玻璃

11、，是因?yàn)槠淞己玫幕瘜W(xué)穩(wěn)定性，尤其是耐酸耐堿性好。27太陽(yáng)能真空集熱管?chē)?guó)內(nèi)已有年產(chǎn)200萬(wàn)支太陽(yáng)能真空集熱管的廠家，它是通過(guò)一流的高新技術(shù)和設(shè)備，以高硼硅玻璃33(特硬料)為材料，采用具有國(guó)際先進(jìn)水平的濺射選擇性吸收涂層工藝，該產(chǎn)品具有吸收率高、強(qiáng)度好、抗冰雹沖擊、耐酸堿、保溫性能好等特點(diǎn)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能均居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，使用壽命長(zhǎng)達(dá)15年以上。以全玻璃真空太陽(yáng)集熱管為吸熱元件研制的太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品，對(duì)太陽(yáng)光有極高的吸收率(93以上)和極低的熱發(fā)射率(6以下)，對(duì)熱傳導(dǎo)、熱損失率降到最低限度。3開(kāi)展前景和趨勢(shì)硼硅酸鹽玻璃具有許多優(yōu)良的性能，但在普通池爐熔化硼硅酸鹽玻璃時(shí)，存在一些問(wèn)題6|：熔

12、化溫度高、黏度大、澄清時(shí)間長(zhǎng)，硼易揮發(fā)、分層和分相等。尤其是熔化溫度高、黏度大、腐蝕性大等特點(diǎn)導(dǎo)致其難以滿足浮法成形工藝，這些問(wèn)題極大地限制了其優(yōu)良性能的完全發(fā)揮和大規(guī)模的應(yīng)用；同時(shí)也對(duì)耐火材料和加熱元件提出了更高的要求。隨著耐火材料性能的提高、玻璃電熔窯技術(shù)嘲的開(kāi)展以及玻璃加工技術(shù)的進(jìn)步，將使浮法生產(chǎn)硼硅酸鹽玻璃技術(shù)得到迅速開(kāi)展，使其優(yōu)異性能得以充分發(fā)揮成為可能，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒌玫綐O大的拓寬和深入。31顯示器玻璃平板顯示器已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊痪植?。難以想象，如果沒(méi)有顯示器，我們的信息交流和技術(shù)操作將如何實(shí)現(xiàn)。從手表盤(pán)、溫度儀和指示儀、通訊終端設(shè)備，如 機(jī)、移動(dòng) 到臺(tái)式計(jì)算機(jī)和電視機(jī)設(shè)備，硼

13、硅酸鹽玻璃都得到或即將得到廣泛的應(yīng)用。全國(guó)性建材科技期刊?玻璃?2004年第5期總第176期尤其是液晶顯示器(LCD)現(xiàn)在已成為平板顯示器中的新寵兒，并已經(jīng)成為一種潮流。所有這些顯示器的一個(gè)共同點(diǎn)是：使用的玻璃基片必須是高質(zhì)量、薄厚度的特殊玻璃，并且在此玻璃片上能進(jìn)行精密存儲(chǔ)。對(duì)此玻璃基片的要求高、標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)、幾乎無(wú)缺陷(<50m)并且外表平整度高；熱膨脹系數(shù)與晶體功能層相匹配，不含堿金屬，優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，最重要的是熱穩(wěn)定性。伴隨玻璃加工技術(shù)的開(kāi)展，顯示器玻璃將向著大尺寸、薄厚度的方向開(kāi)展，這些要求只有通過(guò)浮法技術(shù)才能得以實(shí)現(xiàn)。液晶顯示(LCD)器件是一種本身不發(fā)光的平板顯示(FPD)器件

14、。因?yàn)橐壕П旧聿话l(fā)光，因此LCD器件需通過(guò)外來(lái)光源實(shí)現(xiàn)透射或反射顯示。在開(kāi)發(fā)LCD用有機(jī)LED(OLED)背光源方面口，英國(guó)牛津大學(xué)AMo.stey等人以硼硅酸鹽玻璃為基底玻璃開(kāi)發(fā)出了一種綠光、兩種藍(lán)光的LCD用OLED背光源器件，具有響應(yīng)速度快、耐沖擊、亮度高、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。32建筑用防火玻璃建筑用防火玻璃德國(guó)是歐洲最早研制生產(chǎn)防火玻璃的國(guó)家之一，以其生產(chǎn)浮法硼硅酸鹽透明鋼化防火玻璃而著稱于世界。德國(guó)的Schott公司制造的Pyrans防火玻璃產(chǎn)品，是世界上唯一的用浮法工藝生產(chǎn)的單片硼硅酸鹽防火玻璃，它集優(yōu)良的抗熱沖擊性能及浮法玻璃極好的光學(xué)性能于一身，提供近乎完美的視覺(jué)效果，不僅在

15、本國(guó)市場(chǎng)，而且在歐洲各國(guó)均受到歡送。該產(chǎn)品的特點(diǎn)是所用玻璃基片均為經(jīng)過(guò)鋼化處理后的透明硼硅酸鹽玻璃。為此，該防火玻璃與其他類防火玻璃相比較，更具有較低的熱膨脹系數(shù)，其防火能力一般可達(dá)60120 min以上，甚至在1000高溫輻射下，仍具有防火能力口¨。其產(chǎn)品規(guī)格較多，有5 mm、65 mm、75 mm、10 mm、12mm等；并通過(guò)了英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS6206，即用一45kg的袋子從457 mm高垂直落在玻璃外表而不破裂，這是為了保證人在撞擊玻璃時(shí)的平安問(wèn)題12。隨著現(xiàn)代建筑對(duì)平安防火要求的提高，單片硼硅酸鹽防火玻璃將在世界范圍內(nèi)得到更加廣泛的應(yīng)用和開(kāi)展。33光電池資源與能源問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)

16、今世界各國(guó)高度重視的問(wèn)題，光電池作為一種可再生能源將成為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，在光電材料中硅晶片仍然占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，其價(jià)格非常昂貴，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，它不可能大規(guī)模、大尺寸地生產(chǎn)。因此，光電池的開(kāi)展趨勢(shì)將是高效能薄膜太陽(yáng)能電池，即減少層數(shù)和厚度，以此來(lái)降低本錢(qián)。也就是說(shuō)，將采用一層基片玻璃和一層覆蓋玻璃。此基片玻璃要求能承受相當(dāng)程度的熱負(fù)荷(550630)，能抵抗化學(xué)侵蝕，此外還要滿足機(jī)械強(qiáng)度要求等。而硼硅酸鹽玻璃的良好的熱膨脹性和熱穩(wěn)定性可以與無(wú)定形的硅晶片相匹配。4總結(jié)與展望綜上所述，硼硅酸鹽玻璃以其優(yōu)異的性能得到了廣泛地應(yīng)用和開(kāi)展，其應(yīng)用領(lǐng)域從實(shí)驗(yàn)室用儀器玻璃到建筑用防火玻璃；從日常生活用器皿炊具玻璃到特種顯示器玻璃；從普通化工領(lǐng)域到精密光電學(xué)領(lǐng)域，領(lǐng)域之廣、范圍之深是其它品種玻璃所不可比較的。伴隨著玻璃熔化技術(shù)的提高，玻璃成形加工技術(shù)的進(jìn)步，硼硅酸鹽玻璃將會(huì)得到更大的開(kāi)展和應(yīng)用。硼硅酸鹽玻璃的應(yīng)用可以說(shuō)才剛剛起步，其巨大的開(kāi)展前景是普通鈉鈣硅玻璃所無(wú)法比較的。今后硼硅酸鹽玻璃將朝著多規(guī)格、大尺寸、多功能、高質(zhì)量、大規(guī)模的方向開(kāi)展。世界各國(guó)科技工作者已經(jīng)對(duì)硼硅酸鹽玻璃給予了