國(guó)際傳統(tǒng)玻璃和新玻璃

國(guó)際傳統(tǒng)玻璃和新玻璃

玻璃不僅是一種透明的材料，也是一種獨(dú)特的透明度。在我們的生活中各種不同領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。它功能豐富，無(wú)論是用于居室或建筑設(shè)計(jì)，還是用于工業(yè)、軍事、國(guó)防科研、能源生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、現(xiàn)代通訊技術(shù)，其他材料都不能像玻璃這樣用途廣泛。目前在國(guó)際上，對(duì)玻璃與玻璃制品改變了過(guò)去的分類方法，基本上可分為傳統(tǒng)玻璃和新玻璃兩大類。上期講了第一部分國(guó)際傳統(tǒng)玻璃。第二部分：國(guó)際新玻璃專用玻璃1新玻璃的功能在國(guó)際文獻(xiàn)中所指的新玻璃，又稱為特種玻璃（或新型功能玻璃和特種功能玻璃）。它是指通過(guò)選擇化學(xué)組成、熱處理、制造方法而制得的具有多種功能的玻璃。也就是指通過(guò)光、電、磁、熱、化學(xué)、生化等作用后具有特定功能的玻璃。新玻璃是高技術(shù)密集型、知識(shí)密集型的材料，其形態(tài)除了無(wú)定形固體外，還有超薄形、特厚形、粒狀形、圓球形、異形、鱗片形、螺旋形及多結(jié)晶體等展現(xiàn)在人類面前。其應(yīng)用領(lǐng)域正在日趨擴(kuò)大。從制造方法看，以往只是采用在普通大氣中熔融，而當(dāng)今的新玻璃采用了浮法化學(xué)氣相沉積法（CVD）、氣氛熔融溶凝法、錫液漂浮法、蒸氣法、氣墊漂浮法、真空蒸鍍法及磁控濺射法等新的制造方法。從功能方面來(lái)看，除了化學(xué)功能玻璃外，還有電磁功能玻璃、機(jī)械功能玻璃、化學(xué)及生物化學(xué)功能玻璃、生物功能玻璃和種類繁多應(yīng)用領(lǐng)域的新玻璃。新玻璃按照其成分、性質(zhì)、功能和制備與傳統(tǒng)玻璃工藝上有很大區(qū)別，詳見(jiàn)表1。2玻璃材料的種類國(guó)際新玻璃范疇?wèi)?yīng)包括：光—電子信息玻璃材料（如非線性光學(xué)玻璃、發(fā)光玻璃、紅外光纖、激光玻璃、光電功能玻璃、聲光功能玻璃、磁光玻璃、玻璃磁盤、光記錄基片玻璃、光掩模用玻璃等）、生物與醫(yī)用玻璃材料（微生物載體—微孔玻璃、硬組織相容材料—人造骨與種植牙、藥物傳遞材料等）、能源玻璃材料（太陽(yáng)能光電池復(fù)合玻璃板、玻璃薄膜電池）、智能玻璃材料（智能玻璃窗）、生態(tài)環(huán)境材料（光催化降解自潔玻璃、環(huán)境凈化用玻璃材料、抗菌玻璃材料、森林功能玻璃材料、吸收噪音玻璃）以及納米相玻璃材料（零維的原子團(tuán)簇和納米微粒、一維調(diào)制納米多層膜、二維調(diào)制的納米顆粒膜涂層和三維調(diào)制的納米相玻璃等）。2.1玻璃光纖等常用的光學(xué)材料，如玻璃光—電子信息玻璃材料在當(dāng)今國(guó)際新玻璃范疇包括面十分廣泛，它是用于信息技術(shù)的材料和元件。主要有如下品種：(1）信息處理用玻璃如摻雜半導(dǎo)體量子阱、量子線和量子點(diǎn)玻璃材料等。(2）信息傳遞用玻璃如石英玻璃光纖、氟化物玻璃光纖、硫化物玻璃光纖、摻雜稀土元素玻璃光纖放大器等。(3）信息存儲(chǔ)用玻璃如摻鍺與非摻鍺玻璃光纖柵、硫系玻璃儲(chǔ)存薄膜、磁盤和光盤玻璃基板。(4）信息顯示用玻璃如等離子顯示器（PDP）用基板個(gè)低熔點(diǎn)玻璃、液晶顯示妻（LCD)用玻璃基板、陰極射線管（CRT）用玻璃屏和錐等。(5）信息傳感器用玻璃如聲光玻璃、磁光玻璃、電光玻璃等。(6）非線性光學(xué)玻璃如半導(dǎo)體摻雜與金屬微粒摻雜非線性光學(xué)玻璃等。(7）激光玻璃如固體激光器玻璃、纖維激光器和放大器玻璃。另外還包括有：CD玻璃（玻璃光盤）、HDMD(PC用玻璃磁盤）、STN（超扭曲向列型）液晶顯示器玻璃、TFT薄膜液晶顯示器玻璃、PDP等離子顯示板、ELD場(chǎng)致發(fā)光顯示板、VFD真空熒光顯示板、TCD熱致變色調(diào)光玻璃、DPS微粒子分極配向玻璃、BM彩色濾光玻璃。2.2生物玻璃的結(jié)構(gòu)生物玻璃為能代替人的牙齒、骨頭等直接人體骨的“生物用玻璃”及酶、微生物等的載體和組織培養(yǎng)等仿生工藝用的“生物工程用玻璃”。生物用玻璃中有無(wú)視生物存在的“生物不活性”材料和生物自然適應(yīng)的“生物活性”材料。前者為碳素、氧化鋁、氮化硅等，這些多為精密陶瓷。后者有鈣，含磷酸的玻璃或結(jié)晶化玻璃，氫氧化磷灰石等。其中氫氧化磷灰石是和生物的自然骨同樣成分（無(wú)機(jī)物）的精密陶瓷。因此在將陶瓷與玻璃分離時(shí)，作為生物玻璃主要是后者。另外，用于生物時(shí)，除要求化學(xué)穩(wěn)定性外，還要求含有磷酸和鈣、生物活性及相當(dāng)高的強(qiáng)度。結(jié)晶玻璃正適合于這些要求。生物用結(jié)晶玻璃的原料構(gòu)成是磷酸1、鈣3，為了玻璃化要熔融高純度的硅石，制成玻璃后要在一定條件下再加熱，使之結(jié)晶。另外，為了增強(qiáng)韌性，結(jié)晶形狀要向單方向發(fā)展。現(xiàn)在已開(kāi)發(fā)了“單向結(jié)晶玻璃”。但是這些生物玻璃的開(kāi)發(fā)與生物陶瓷存在競(jìng)爭(zhēng)。以上述單向性結(jié)晶玻璃的開(kāi)發(fā)作為一個(gè)開(kāi)端，今后將以成形和加工為重點(diǎn)，進(jìn)一步加快增加強(qiáng)度和韌性方面實(shí)用化的研究。可以認(rèn)為，天然骨是在骨膠原纖維上不溶性磷酸鈣（羥基磷灰石=Ca10(PO4)6(OH)2）的沉淀物，但作為與此類似的人工骨、人工牙用材料有含氧化鈣和氧化磷的生物玻璃。生物玻璃（指生物工程和生物醫(yī)用材料）(1）生物載體玻璃如酶載體微孔玻璃、生物芯片玻璃。(2）基因傳感器載片玻璃如DNA傳感器用玻璃光纖。(3）疾病治療玻璃如耙向釋放藥物玻璃、耙向放射線玻璃、磁控加溫玻璃、均可治療不同癌癥。(4）硬組織修復(fù)與骨組織工程玻璃如含羥基磷灰石主晶相的微晶玻璃、以磷灰石和云母為主晶相的可切削微晶玻璃，用于人造骨和人工關(guān)節(jié)。羥基磷灰石玻璃涂層用于改善金屬人工器官與人體組織的生物相容性。(5）口腔玻璃如鑄造微晶玻璃、玻璃浸滲氧化鋁烤瓷用于牙科烤瓷材料，玻璃離子水泥和樹(shù)脂改性玻璃離子水泥用于牙科填充材料，可切割微晶玻璃用作口腔植入材料。(6）緩釋降解玻璃如玻璃緩釋肥料、玻璃緩釋飼料。2.3高儲(chǔ)能和能源轉(zhuǎn)化效率能源和新能源用玻璃，是指將傳統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)變?yōu)樾履茉床牧希院侠砝觅Y源，提高儲(chǔ)能和能源轉(zhuǎn)化效率，降低成本，減少環(huán)境污染。(1）固體燃料電池，如玻璃體快離子導(dǎo)體等。(2）太陽(yáng)能電池，如非晶態(tài)硅太陽(yáng)能電池的玻璃基板，太陽(yáng)能光電池復(fù)合玻璃幕墻等。(3）太陽(yáng)能集熱器，如集熱器中所用各種規(guī)格耐熱玻璃管等。2.4自潔玻璃ti在玻璃的生產(chǎn)抗菌玻璃的特點(diǎn)是在平板玻璃的表面鍍制一層抗菌功能膜。因此，凡是能夠和應(yīng)該使用玻璃的地方，都可以使用抗菌玻璃，如醫(yī)療業(yè)、醫(yī)藥業(yè)、食品業(yè)、家電業(yè)、學(xué)校、車船等地方及行業(yè)?？咕ＡУ闹谱鞣椒ㄓ泻芏喾N，其中有在線化學(xué)氣相沉積法、溶膠—凝膠鍍膜法、真空鍍膜法等。真空鍍膜法是北京中磁旭真空工程有限公司劉殿凱研究發(fā)明的抗菌玻璃制作方法，于2005年12月28日獲得中華人民共和國(guó)國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局授權(quán)的《發(fā)明專利證書》。發(fā)明名稱為：《殺菌玻璃及其制造方法》。發(fā)明專利號(hào)為：《ZL03156763.0》，國(guó)際專利主分類號(hào)為：《C03C17/36》。(2）自潔玻璃在玻璃表面鍍一層TiO2納米膜，在紫外線照射下可把污物分解，不用擦洗玻璃也能長(zhǎng)期潔凈。這種玻璃的制作方式主要有以下幾種：一是在常溫常壓下涂鍍一層有機(jī)鈦膜；二是采用工藝較成熟的凝膠—溶膠鍍膜工藝；三是浮法在線化學(xué)氣相沉積法（CVD）。目前國(guó)內(nèi)前兩種工藝已基本成熟，并有部分產(chǎn)品面世，從國(guó)外發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，采用在線CVD法生產(chǎn)自潔凈玻璃，很有發(fā)展前景。這種不用擦洗的自潔玻璃屬生態(tài)環(huán)保型“綠色玻璃”。當(dāng)這種被稱之為“光觸媒”的二氧化鈦（TiO2）光催化劑膜遇到太陽(yáng)光或熒光燈、紫外線照射后，在外界光的激發(fā)狀態(tài)下會(huì)使附著在表面的有機(jī)物、污染物變?yōu)檠趸己退?，且自?dòng)消除。目前它已被廣泛用于蓋板玻璃、汽車玻璃、高檔玻璃鏡以及高級(jí)建筑物的玻璃幕墻裝飾玻璃。2.5納米相玻璃材料納米相玻璃材料主要為：零維的原子團(tuán)簇和納米微粒、一維調(diào)制納米多層膜、二維調(diào)制的納米顆粒膜涂層和三維調(diào)制的納米相玻璃材料等。3新玻璃的主要特征據(jù)資料顯示，新玻璃與傳統(tǒng)玻璃的區(qū)別主要有三個(gè)方面；一是新玻璃是傳統(tǒng)玻璃組成及制造工藝的革新；二是新玻璃大幅度提高玻璃本身性質(zhì)、拓展了玻璃的新功能；三是新玻璃開(kāi)拓了玻璃新的用途，擴(kuò)大了玻璃的應(yīng)用范圍。眾所周知，新玻璃與傳統(tǒng)玻璃相比，賦予許多新的性質(zhì)，如光電性質(zhì)，包括光致發(fā)光、電致發(fā)光、磁光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、光敏效應(yīng)、光阻擋效應(yīng)（AsS光開(kāi)關(guān)）、光致變色、光致相變（晶相和非晶相變化）；半導(dǎo)體性質(zhì)，包括光電效應(yīng)、熱電效應(yīng)；超導(dǎo)性質(zhì)，包括全導(dǎo)電性、完全抗磁性（Meissnereffect）；電磁性質(zhì)，包括弱磁性、逆磁性、順磁性、鐵磁性、電磁屏蔽性、高電介性質(zhì)；核反應(yīng)性和耐輻射性質(zhì)；化學(xué)和生物親和性質(zhì)等。由于新玻璃具有傳統(tǒng)玻璃所未具有的新功能（performance），從而開(kāi)辟了應(yīng)用的新途徑，如信息、生物、航天、新能源、核工程和海洋科學(xué)等方面。新玻璃產(chǎn)業(yè)發(fā)展是協(xié)約型，而傳統(tǒng)玻璃是粗放型。雖然新玻璃是從與傳統(tǒng)玻璃發(fā)展而來(lái)的，人們可以通過(guò)改變傳統(tǒng)玻璃的成分、制備和加工方法，從而得到新型功能玻璃，但新玻璃產(chǎn)業(yè)與傳統(tǒng)玻璃產(chǎn)業(yè)卻有著不同的特征。其特征對(duì)比見(jiàn)表2。4新玻璃的發(fā)展方向有關(guān)方面資深的玻璃專家在資料文獻(xiàn)中指出，新玻璃的今后發(fā)展方向主要為納米化、復(fù)合化、集成化和智能化等四大方面，其大致如下：4.1納米玻璃材料的研制當(dāng)材料的織構(gòu)與結(jié)構(gòu)尺寸從毫米、微米趨向納米、納米尺寸的零維納米結(jié)構(gòu)（超微粒子、納米團(tuán)簇、量子點(diǎn)）、一維納米結(jié)構(gòu)（納米和原子鏈、半導(dǎo)體量子細(xì)線、分子導(dǎo)線）、二維納米結(jié)構(gòu)（量子阱和超晶格、超薄膜、自發(fā)組織膜和電極）、三維納米結(jié)構(gòu)（納米玻璃、納米陶瓷、多孔硅等），具有一系列的納米材料特性，如小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，通過(guò)玻璃結(jié)構(gòu)的納米化，研制出超亮度發(fā)光玻璃、控制光波導(dǎo)的“光子晶體”玻璃、超高強(qiáng)度玻璃、高性能過(guò)濾器玻璃、大容量光儲(chǔ)器玻璃等納米新材料。4.2納米薄膜復(fù)合或雜化復(fù)合化（composite）或雜化（hybrid）是指將玻璃材料與金屬材料、高分子材料進(jìn)行復(fù)合或雜化。以應(yīng)用為目標(biāo)，集合這三類材料的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行宏觀尺寸的復(fù)合化，傳統(tǒng)的玻璃纖維增強(qiáng)塑料即是此類型復(fù)合化材料，新玻璃復(fù)合的尺寸愈來(lái)愈小，甚至達(dá)到納米級(jí)水平的復(fù)合，構(gòu)成一種均勻多相的材料，其中至少有一相或一維在納米數(shù)量級(jí)，故又稱雜化。一般有物理共混和化學(xué)復(fù)合兩種方法。4.3復(fù)合玻璃與組合膜集成化是指將多種功能新玻璃集成在一起得到具有新功能的玻璃。最簡(jiǎn)單的就是發(fā)射低輻射玻璃（EclipesAvantage）。在浮法玻璃上鍍多層膜，將熱量和陽(yáng)光控制、高可見(jiàn)光透過(guò)率、低發(fā)射率、眩光控制結(jié)合在一起。在玻璃表面鍍TiO2/SiO2多功能集合膜，既具有自潔凈功能又具有親水性。將光催化TiO2薄膜和多晶硅薄膜集成光電轉(zhuǎn)換玻璃。4.4玻璃的智能控制智能化指對(duì)環(huán)境條件可感知，且可響應(yīng)，并有自適應(yīng)能力的材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)。最早的智能材料是被動(dòng)式的，在玻璃表面鍍光致變色膜，受陽(yáng)光照射，自動(dòng)改變透光度，但透光度深淺是不易控制的。現(xiàn)代智能窗是在玻璃基片上，第一層鍍導(dǎo)電膜，第二層鍍電致變色膜，第三層鍍離子導(dǎo)體膜，第四層鍍離子儲(chǔ)存膜，可根據(jù)光照后變色，程度由外電壓控制，是智能自動(dòng)式。目前智能窗有三種類型：一種是根據(jù)光的強(qiáng)度來(lái)控制玻璃顏色，光線強(qiáng)時(shí)，玻璃變成藍(lán)色或其他顏色，第二種是根據(jù)光的強(qiáng)度來(lái)控制玻璃的透過(guò)率與發(fā)射率，光線強(qiáng)時(shí)，玻璃變成乳濁，光線弱時(shí)變?yōu)橥该?，第三種是根據(jù)溫度來(lái)控制室外進(jìn)入室內(nèi)的紅外與可見(jiàn)光透過(guò)率，以調(diào)節(jié)室溫。近代的智能建筑玻璃是將集成化和智能化集于一體，具有自動(dòng)調(diào)光、隔音、防熱、空氣凈化、抗菌殺菌等功能，還可將光伏一體化（太陽(yáng)能電池發(fā)電）、太陽(yáng)能集熱、光催化反應(yīng)制氫和玻璃幕墻結(jié)合，形成節(jié)能、環(huán)保、