平板真空玻璃步入新的發(fā)展機遇
????????上海大學(xué) ?材料學(xué)院 ?顧峰
??????????????????????上海耀江實業(yè)公司 ?翁永平 陳萍 ?高華偉
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一、關(guān)于真空玻璃
自1893年保溫瓶聞世以來，許多科學(xué)工作者對如何將保溫瓶的保溫隔熱原理用于平板玻璃一直在進(jìn)行著研究。1913年出版的專利文獻(xiàn)就提出了這一設(shè)想。但直到1992年才取得了突破性的進(jìn)展。澳大利亞悉尼大學(xué)在 “Solar Energy“上發(fā)表的研究論文從理論上和實踐上介紹了真空玻璃的原理和制造方法。
二、真空玻璃的結(jié)構(gòu)
真空玻璃是將四周連接密封的兩塊玻璃板同的空隙抽成真空，真空度要達(dá)到并保持在0．1Pa以上，以達(dá)到保溫隔熱、隔音的目的。兩塊玻璃板間的間隙非常小，僅0．1-0．3mm。為使玻璃板在真空狀態(tài)下能承受大氣壓力的作用，兩塊玻璃間放有支柱。支柱非常小．一般情況下肉眼看不見，以不影響使用性能。
圖1、真空玻璃的基本結(jié)構(gòu)
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三、真空玻璃的性能
????作為新型建筑節(jié)能材料，真空玻璃采用保溫瓶原理，以低熔點玻璃粉對兩片玻璃進(jìn)行封接等。該玻璃具備優(yōu)良的絕熱性、隔音性、較高的光透射性、紅外光反射性及化學(xué)性能穩(wěn)定性，具保溫、抗結(jié)露、隔聲和節(jié)能、環(huán)保、附加值高等特點，是新一代的節(jié)能材料。產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于中高檔建筑和家電、車船等交通運輸領(lǐng)域及太陽能利用領(lǐng)域。
（1）保溫隔熱性能
通常，熱傳遞有3種方式，輻射、傳導(dǎo)和對流。真空玻璃(圖 1)是將兩片平板玻璃周邊進(jìn)行封接，將其中間位置的間隔層抽成真空并密閉排氣而成，由于真空層的存在，基本上消除了對流傳熱和傳導(dǎo)傳熱，而采用Low—E玻璃作為原片，又可大幅度消減輻射傳熱。真空玻璃是玻璃深加工的一枝新秀。真空玻璃的保溫隔熱性能大大優(yōu)于單層平板玻璃，也超過目前生產(chǎn)的各種雙層中空玻璃。單層平板玻璃的傳熱系數(shù)為6W／m2·K，用普通平板玻璃制造的充氬氣的雙層中空玻璃的傳熱系數(shù)為3．5W／m2·K， 而用普通平板玻璃制造的真空玻璃的傳熱系數(shù)為2．6W／m2·K。用有低輻射膜玻璃制造的雙層中空玻璃的傳熱系數(shù)為1．3W／m2·K(中部區(qū)域)，用有低輻射膜玻璃制造的真空玻璃的傳熱系數(shù)為0．7w／·K(中部區(qū)域)。
（2）隔音性能
中空玻璃的隔音性能優(yōu)于單層平板玻璃，但在低音區(qū)易產(chǎn)生共鳴。真空玻璃 在大部分音域的隔音性能都比6mm的充氬氣雙層中空玻璃的為好。據(jù)日本測試，真空玻璃可使噪聲降低3O分貝以上。
(3)、防結(jié)霜結(jié)露性能
????玻璃窗在室外溫度太低時會產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。真空玻璃的真空層不傳熱,內(nèi)層玻璃的溫度不會太低，所以不會產(chǎn)生結(jié)霜現(xiàn)象。例如：室內(nèi)溫度2O℃、濕度60％，單層玻璃窗在室外溫度8℃時就會結(jié)霜，而真空玻璃在室外溫度為一6℃也不會結(jié)霜。中空玻璃在室內(nèi)外溫差較大時空隙內(nèi)的氣體有蒸汽析出，在內(nèi)表面會結(jié)霜，而真空玻璃的間隙中沒有任何氣體，所以不會產(chǎn)生結(jié)露現(xiàn)象。
(4)、耐風(fēng)壓強度
????由于真空玻璃是兩塊玻璃板強固連接，中間有支柱，耐風(fēng)壓強度大大提高。設(shè)計時能使用較薄的玻璃，玻璃的面積也可增大。真空玻璃耐風(fēng)壓壓力計算公式為 ：
????????????????????????P=β/SA (t+t2/4)
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式中：P一真空玻璃耐風(fēng)壓壓力，kg／；β一系數(shù)，按玻璃種類而定，其值見表 1；S-安全系數(shù)，通常取2．5；A-真空玻璃的面積，m2；t-真空玻璃總厚度，mm。
表1 系數(shù)β的值
| 玻璃種類 | 玻璃厚度(mm) | β |
| 平板玻璃 | 3、5、6、8
|
?80 |
| 夾絲玻璃 | 6、8、10 | 60 |
(5)、厚度小、安裝方便
真空玻璃的間隙只有0.10—0.3mm，困此可以做到6mm左右厚。而中空玻璃至少要12mm厚。厚度減小不僅可以節(jié)省空間，提高設(shè)計的自由度，而且還減小了窗框的厚度，節(jié)省了材料。甚至在舊建筑物改造中可以利用原有的舊窗框。
四、真空玻璃的應(yīng)用
真空玻璃的成功取決于隔熱性能和真空穩(wěn)定性。如上所述，穩(wěn)定的真空玻璃可以通過高溫制作工藝獲得。高隔熱性能可以通過真空和低輻射膜的結(jié)合獲得。使用真空玻璃優(yōu)勢諸多。由于隔熱性能與抽空空間大小無關(guān)，好的隔熱性應(yīng)可以通過窄的真空結(jié)構(gòu)獲得，因此真空玻璃的厚度降低到幾乎2片玻璃同等厚度。表2顯示了不同設(shè)計的窗戶熱傳導(dǎo)典型情況。真空玻璃的熱傳導(dǎo)幾乎比單片玻璃低7倍。厚6mm真空玻璃性能幾乎同于三層玻璃，但三層玻璃厚1．5cm，由于克服了雙層或三層玻璃因厚度帶來的安裝問題，這使真空玻璃成為改裝市場的理想候選。真空玻璃可替代建筑或其它應(yīng)用中的雙層或三層玻璃 。
表 2 不同窗戶熱傳導(dǎo)
| 窗戶 | ?熱傳導(dǎo)系數(shù) (w／(m.k)) |
| 真空玻璃(0．62cm) | 0.8 |
| 單片玻璃 (0.4cm) | 5.6 |
| 雙層玻璃(1.0cm) | 2.6 |
| 三層玻璃(1.5cm) | 0.7 |
圖2 ?北京新立基公司的示范工程
a北京天恒大廈 b湖北武漢美林青城 c湖南長沙濱江文化園 d河南鄭州圖書館
五、真空玻璃發(fā)展動態(tài)
隨著技術(shù)的進(jìn)步及需求的增長，真空玻璃作為玻璃深加工產(chǎn)業(yè)的高端產(chǎn)品，已經(jīng)開始受到社會關(guān)注并逐漸發(fā)展為一個行業(yè) 。
1、北美中空玻璃協(xié)會(IGMA)成立真空玻璃協(xié)會
????2012年1月31日至2月4日，在美國亞利桑那州的坦佩(Tempe)舉行的中空玻璃聯(lián)盟新興科技與創(chuàng)新委員會年度股東大會上討論了未來成立真空玻璃協(xié)會的議題。這是真空玻璃工作組第一次會面，其首要任務(wù)是起草關(guān)于介紹真空玻璃的白皮書：詳細(xì)的列舉真空玻璃特殊的制造工藝、性能及裝配要求，以此作為工業(yè)生產(chǎn)中“什么是真空玻璃”與“真空玻璃工作原理”的教材。此項目的領(lǐng)導(dǎo)人是美國佳殿公司(Guardian)的高級項目領(lǐng)導(dǎo)人DavidCooper，他同時還是北美中空玻璃協(xié)會真空玻璃工作組的負(fù)責(zé)人。從IGMA年度會議的記錄可以看出，北美市場發(fā)展真空玻璃的意向很強烈，其主要參與者有美國Guardian玻璃公司與Ever Sealed WindowsINC．等公司 。
2 、美國勞倫斯伯克利國家實驗室(LBNL)開發(fā)的Window、Therm等軟件中加入真空玻璃計算
國際上，Window、Optics、Therm是被業(yè)內(nèi)專家公認(rèn)的應(yīng)用廣泛、功能豐富、計算準(zhǔn)確的玻璃門窗光學(xué)熱工性能模擬計算軟件。這三個軟件由LBNL開發(fā)的，其計算環(huán)境條件和基礎(chǔ)玻璃數(shù)據(jù)庫等由美國門窗分級委員會(NFRC)提供并支持。軟件已經(jīng)被NFRC作為對市場產(chǎn)品進(jìn)行性能分級的標(biāo)準(zhǔn)測試手段。三個軟件可以獨立運行完成計算，也可以結(jié)合起來進(jìn)行更復(fù)雜的門窗或幕墻整體性能計算。最新版本的Window7及 Therm7已將真空玻璃納入其中，可以進(jìn)行相關(guān)光學(xué)和熱工參數(shù)的計算。這說明真空玻璃已經(jīng)被行業(yè)內(nèi)接受，并得到了足夠的重視，這樣會有更多的設(shè)計師、研發(fā)人員、玻璃廠家及其他Window用戶了解到真空玻璃，真空玻璃產(chǎn)品的計算參數(shù)也會得到更多人的認(rèn)可，從一個側(cè)面反應(yīng)出國際上對于真空玻璃的研究也是進(jìn)行得如火如荼。
3、各地區(qū)真空玻璃發(fā)展情況
澳大利亞悉尼大學(xué)(UniversityofSydney)是真空玻璃研發(fā)成功的鼻祖 ，該大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)院于1993年首家研發(fā)成功真空玻璃，1996年轉(zhuǎn)讓專利使用權(quán)給日本板硝子(NSG)，進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)。目前悉尼大學(xué)對真空玻璃的研發(fā)工作仍在繼續(xù)，研究主要集中在傳熱機理、力學(xué)研究、真空的穩(wěn)定性、熱流量的測量、產(chǎn)品技術(shù)和成本等方面。據(jù)2012年7月消息，悉尼大學(xué)物理學(xué)院科學(xué)部的MarcelaBilek教授和 DavidMcKenzie教授在未來四年將獲得73萬美元的資助，用于與維盧克斯(VELUX)在真空玻璃方面的合作研究工作，該資金來源于澳大利亞研究委員會。從真空玻璃誕生以來，國際上對真空玻璃的研究就一直沒有停止過，下邊按照地區(qū)分類對真空玻璃的發(fā)展情況加以介紹。
1 、亞 洲
亞洲在真空玻璃的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)上具有絕對的優(yōu)勢，日本板硝子1996獲得專利，開始生產(chǎn)真空玻璃。中國，2001年起，由青島亨達(dá)實業(yè)有限公司開發(fā)研制的《平板真空玻璃規(guī)?；a(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用項目，通過了由中國建 材工業(yè)協(xié)會組織，青島市經(jīng)委、青島市科技局主持的科技成果與新產(chǎn)品新技術(shù)鑒 定 。與會專家一致認(rèn)為，該項目達(dá)到了國際先進(jìn)水平，誕生的平板真空玻璃生產(chǎn)設(shè)備是國內(nèi)首條規(guī)?；a(chǎn)線、北京新立基公司主要以青島亨達(dá)實業(yè)有限公司的成果為基礎(chǔ)，唐健正教授研發(fā)團(tuán)隊任技術(shù)總監(jiān)，改進(jìn)真空玻璃生產(chǎn)工藝，解決技術(shù)難題，建設(shè)20多個示范工程，2012年建成第一條生產(chǎn)線。韓國，LG hausys建筑裝飾有限公司、Eagon門窗有限公司等也一直在研究。
2、歐洲
????英國阿爾斯特大學(xué)(University of Ulster )、瑞士聯(lián)邦材料測試與研究中心（EMPA)、德國格林策巴赫公司（Grenzebach）作為專業(yè)制備材料運輸控制設(shè)備的企業(yè)也對真空玻璃工藝及生產(chǎn)線進(jìn)行研發(fā)。Ulster大學(xué)的對真空玻璃的研發(fā)一直處于實驗室階段，核心技術(shù)為雙真空玻璃（3片），金屬銦封邊，支撐物直徑0.3mm，間距25mm,樣品的大小500×500mm,中心U值0.9W/m2.k；玻璃粉熔融溫度450℃.該課題組的目標(biāo)是雙真空玻璃的U值0.3W/m2.k。但存在工藝復(fù)雜、成本高，合格率低等問題。德國格林策巴赫公司的真空玻璃為金屬封邊，支撐物金屬或玻璃，壽命25年，中心U值0.6W/m2.k。
- 美洲
????美國佳殿公司關(guān)于真空玻璃的授權(quán)專利有40多項。玻璃的支撐物為半透明陶瓷，間距0.25mm，2012年已實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。美國能源部資助國際可持續(xù)能源實驗室和勞倫斯伯克利驗室研制真空絕熱玻璃 ，資助金額超過二百萬美元 ，這筆款項將專用于生產(chǎn) R．1O(相 當(dāng)于 值 0．6W／m ·K)窗戶的真空絕緣玻璃 (VIG)組件的項目 。
六、中國國內(nèi)政策支持
國內(nèi)對真空玻璃的發(fā)展也有很強的政策導(dǎo)向性，出臺了世界上第一個真空玻璃行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC／T1079-2008(真空玻璃》，玻璃行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ113-2009(建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中包含真空玻璃的熱工計算方法，十二五科技支撐計劃中也包含了真空玻璃的相關(guān)研究課題。
????2012年 2月 22日，工信部正式下發(fā)《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》，明確將Low-E真空玻璃列入其中，作為重點產(chǎn)品鼓勵發(fā)展 ，在重大示范應(yīng)用專項工程中予以推廣，這是我國第一次將真空玻璃寫入高規(guī)格的政策性文件中，釋放了很強的政策信號。
????特別是為全面貫徹落實黨的十九大精神，深入學(xué)習(xí)貫徹習(xí)近平新時代中國特色社會主義思想，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合，突破制造業(yè)重點領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，國家發(fā)改委制定了《增強制造業(yè)核心競爭力三年行動計劃（2018-2020年）》制定了9個重點領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實施方案：其中 9、重大技術(shù)裝備關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實施方案。其中，《新材料關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化實施方案》明確指出：要重點發(fā)展石墨烯，8.5代TFT-LCD及以上玻璃基板，顯示面板用高強蓋板玻璃，鋼化真空玻璃，高性能氮化硅陶瓷材料，高性能石英玻璃等無機非金屬材料，并從預(yù)期目標(biāo)、組織方式、保障措施等方面給出了具體實施意見。這為鋼化真空玻璃的產(chǎn)業(yè)發(fā)展指明了方向。
七、真空玻璃發(fā)展的技術(shù)瓶頸
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真空玻璃以其優(yōu)異的隔熱性能 ，受到越來越多的關(guān)注。隨著我國建筑節(jié)能的要求越來越高 ，大面積真空玻璃的商業(yè)化生產(chǎn)愈來愈顯得迫切 ，尤其是 “被動房 ”的建設(shè)和推進(jìn) ，對建筑窗的散熱提出了窗整體傳熱系數(shù) ≤0．8w／(m ·k)的要求 ，考慮到窗框的散熱，要求玻璃的傳熱系數(shù)≤0．6w／(nl?！)。 目前 ，Low—E真空復(fù)合中空玻璃和三玻二腔雙Low—E中空玻璃可以滿足傳熱要求 ，但 三玻二腔中空玻璃較厚 ，對窗框的負(fù)荷較大 ，隔聲性能也不如真空玻璃 ，因此真空玻璃的應(yīng)用和生產(chǎn)就成為重點關(guān)注的課題 。上世紀(jì)80年代我國就已經(jīng)開始研究真空玻璃，2012年前后進(jìn)入一個快速發(fā)展階段，青島亨達(dá)和北京新立基為真空玻璃的發(fā)展做了大量的工作 。目前真空玻璃的商業(yè)化生產(chǎn)主要遭受以下幾個瓶頸： 1支撐點 、2、封接料 3、封邊技術(shù) 。
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八、真空玻璃的發(fā)展展望
（1）有報道，江蘇強制陽臺落地窗使用雙層真空玻璃。江蘇有關(guān)部門規(guī)定住宅建設(shè)中，所有北立面上的窗戶和南立面上的陽臺落地窗，都應(yīng)該使用雙層真空玻璃，不然會很難通過驗收。
???（2）真空玻璃的技術(shù)瓶頸正在被不斷攻克
??????經(jīng)過專家學(xué)者的不懈努力，真空玻璃的商業(yè)化進(jìn)程愈走愈近。(1)降低生產(chǎn)成本，做大真空玻璃面積是目前真空玻璃研制單位必須面臨的問題。(2)在開發(fā)過程中，減少環(huán)境污染，降低生產(chǎn)能耗，走獨立自主的研發(fā)之路，才能面對市場的機遇和挑戰(zhàn)。
???目前，據(jù)資料表明我國的建筑能耗已超過30%以上，而建筑能耗的50%是通過門窗損失的，所以降低建筑門窗的能耗是一種長期有效的綠色行動，也是長期的可持續(xù)的發(fā)展的。真空玻璃以其優(yōu)良的隔熱、隔聲性能必將成為建筑窗玻璃的新寵。它將帶給建筑、家電等行業(yè)的發(fā)展，步入一個嶄新的發(fā)展機遇。