平板真空玻璃步入新的发展机遇

????????上海大学 ?材料学院 ?顾峰

??????????????????????上海耀江实业公司 ?翁永平 陈萍 ?高华伟

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一、关于真空玻璃

自1893年保温瓶闻世以来,许多科学工作者对如何将保温瓶的保温隔热原理用于平板玻璃一直在进行着研究。1913年出版的专利文献就提出了这一设想。但直到1992年才取得了突破性的进展。澳大利亚悉尼大学在 “Solar Energy“上发表的研究论文从理论上和实践上介绍了真空玻璃的原理和制造方法。

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二、真空玻璃的结构

真空玻璃是将四周连接密封的两块玻璃板同的空隙抽成真空,真空度要达到并保持在0.1Pa以上,以达到保温隔热、隔音的目的。两块玻璃板间的间隙非常小,仅0.1-0.3mm。为使玻璃板在真空状态下能承受大气压力的作用,两块玻璃间放有支柱。支柱非常小.一般情况下肉眼看不见,以不影响使用性能。

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图1、真空玻璃的基本结构

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三、真空玻璃的性能

????作为新型建筑节能材料,真空玻璃采用保温瓶原理,以低熔点玻璃粉对两片玻璃进行封接等。该玻璃具备优良的绝热性、隔音性、较高的光透射性、红外光反射性及化学性能稳定性,具保温、抗结露、隔声和节能、环保、附加值高等特点,是新一代的节能材料。产品可广泛应用于中高档建筑和家电、车船等交通运输领域及太阳能利用领域。

(1)保温隔热性能

通常,热传递有3种方式,辐射、传导和对流。真空玻璃(图 1)是将两片平板玻璃周边进行封接,将其中间位置的间隔层抽成真空并密闭排气而成,由于真空层的存在,基本上消除了对流传热和传导传热,而采用Low—E玻璃作为原片,又可大幅度消减辐射传热。真空玻璃是玻璃深加工的一枝新秀。真空玻璃的保温隔热性能大大优于单层平板玻璃,也超过目前生产的各种双层中空玻璃。单层平板玻璃的传热系数为6W/m2·K,用普通平板玻璃制造的充氩气的双层中空玻璃的传热系数为3.5W/m2·K, 而用普通平板玻璃制造的真空玻璃的传热系数为2.6W/m2·K。用有低辐射膜玻璃制造的双层中空玻璃的传热系数为1.3W/m2·K(中部区域),用有低辐射膜玻璃制造的真空玻璃的传热系数为0.7w/·K(中部区域)。

(2)隔音性能

中空玻璃的隔音性能优于单层平板玻璃,但在低音区易产生共鸣。真空玻璃 在大部分音域的隔音性能都比6mm的充氩气双层中空玻璃的为好。据日本测试,真空玻璃可使噪声降低3O分贝以上。

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(3)、防结霜结露性能

????玻璃窗在室外温度太低时会产生结霜现象。真空玻璃的真空层不传热,内层玻璃的温度不会太低,所以不会产生结霜现象。例如:室内温度2O℃、湿度60%,单层玻璃窗在室外温度8℃时就会结霜,而真空玻璃在室外温度为一6℃也不会结霜。中空玻璃在室内外温差较大时空隙内的气体有蒸汽析出,在内表面会结霜,而真空玻璃的间隙中没有任何气体,所以不会产生结露现象。

(4)、耐风压强度

????由于真空玻璃是两块玻璃板强固连接,中间有支柱,耐风压强度大大提高。设计时能使用较薄的玻璃,玻璃的面积也可增大。真空玻璃耐风压压力计算公式为 :

????????????????????????P=β/SA (t+t2/4)

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式中:P一真空玻璃耐风压压力,kg/;β一系数,按玻璃种类而定,其值见表 1;S-安全系数,通常取2.5;A-真空玻璃的面积,m2;t-真空玻璃总厚度,mm。

表1 系数β的值

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玻璃种类 玻璃厚度(mm) β
平板玻璃 3、5、6、8

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?80
夹丝玻璃 6、8、10 60

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(5)、厚度小、安装方便

真空玻璃的间隙只有0.10—0.3mm,困此可以做到6mm左右厚。而中空玻璃至少要12mm厚。厚度减小不仅可以节省空间,提高设计的自由度,而且还减小了窗框的厚度,节省了材料。甚至在旧建筑物改造中可以利用原有的旧窗框。

四、真空玻璃的应用

真空玻璃的成功取决于隔热性能和真空稳定性。如上所述,稳定的真空玻璃可以通过高温制作工艺获得。高隔热性能可以通过真空和低辐射膜的结合获得。使用真空玻璃优势诸多。由于隔热性能与抽空空间大小无关,好的隔热性应可以通过窄的真空结构获得,因此真空玻璃的厚度降低到几乎2片玻璃同等厚度。表2显示了不同设计的窗户热传导典型情况。真空玻璃的热传导几乎比单片玻璃低7倍。厚6mm真空玻璃性能几乎同于三层玻璃,但三层玻璃厚1.5cm,由于克服了双层或三层玻璃因厚度带来的安装问题,这使真空玻璃成为改装市场的理想候选。真空玻璃可替代建筑或其它应用中的双层或三层玻璃 。

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表 2 不同窗户热传导

窗户 ?热传导系数 (w/(m.k))
真空玻璃(0.62cm) 0.8
单片玻璃 (0.4cm) 5.6
双层玻璃(1.0cm) 2.6
三层玻璃(1.5cm) 0.7

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图2 ?北京新立基公司的示范工程

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a北京天恒大厦 b湖北武汉美林青城 c湖南长沙滨江文化园 d河南郑州图书馆

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五、真空玻璃发展动态

随着技术的进步及需求的增长,真空玻璃作为玻璃深加工产业的高端产品,已经开始受到社会关注并逐渐发展为一个行业 。

1、北美中空玻璃协会(IGMA)成立真空玻璃协会

????2012年1月31日至2月4日,在美国亚利桑那州的坦佩(Tempe)举行的中空玻璃联盟新兴科技与创新委员会年度股东大会上讨论了未来成立真空玻璃协会的议题。这是真空玻璃工作组第一次会面,其首要任务是起草关于介绍真空玻璃的白皮书:详细的列举真空玻璃特殊的制造工艺、性能及装配要求,以此作为工业生产中“什么是真空玻璃”与“真空玻璃工作原理”的教材。此项目的领导人是美国佳殿公司(Guardian)的高级项目领导人DavidCooper,他同时还是北美中空玻璃协会真空玻璃工作组的负责人。从IGMA年度会议的记录可以看出,北美市场发展真空玻璃的意向很强烈,其主要参与者有美国Guardian玻璃公司与Ever Sealed WindowsINC.等公司 。

2 、美国劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)开发的Window、Therm等软件中加入真空玻璃计算

国际上,Window、Optics、Therm是被业内专家公认的应用广泛、功能丰富、计算准确的玻璃门窗光学热工性能模拟计算软件。这三个软件由LBNL开发的,其计算环境条件和基础玻璃数据库等由美国门窗分级委员会(NFRC)提供并支持。软件已经被NFRC作为对市场产品进行性能分级的标准测试手段。三个软件可以独立运行完成计算,也可以结合起来进行更复杂的门窗或幕墙整体性能计算。最新版本的Window7及 Therm7已将真空玻璃纳入其中,可以进行相关光学和热工参数的计算。这说明真空玻璃已经被行业内接受,并得到了足够的重视,这样会有更多的设计师、研发人员、玻璃厂家及其他Window用户了解到真空玻璃,真空玻璃产品的计算参数也会得到更多人的认可,从一个侧面反应出国际上对于真空玻璃的研究也是进行得如火如荼。

3、各地区真空玻璃发展情况

澳大利亚悉尼大学(UniversityofSydney)是真空玻璃研发成功的鼻祖 ,该大学应用物理学院于1993年首家研发成功真空玻璃,1996年转让专利使用权给日本板硝子(NSG),进行商业化生产。目前悉尼大学对真空玻璃的研发工作仍在继续,研究主要集中在传热机理、力学研究、真空的稳定性、热流量的测量、产品技术和成本等方面。据2012年7月消息,悉尼大学物理学院科学部的MarcelaBilek教授和 DavidMcKenzie教授在未来四年将获得73万美元的资助,用于与维卢克斯(VELUX)在真空玻璃方面的合作研究工作,该资金来源于澳大利亚研究委员会。从真空玻璃诞生以来,国际上对真空玻璃的研究就一直没有停止过,下边按照地区分类对真空玻璃的发展情况加以介绍。

1 、亚 洲

亚洲在真空玻璃的产业化生产上具有绝对的优势,日本板硝子1996获得专利,开始生产真空玻璃。中国,2001年起,由青岛亨达实业有限公司开发研制的《平板真空玻璃规模化生产关键技术与设备的开发应用项目,通过了由中国建 材工业协会组织,青岛市经委、青岛市科技局主持的科技成果与新产品新技术鉴 定 。与会专家一致认为,该项目达到了国际先进水平,诞生的平板真空玻璃生产设备是国内首条规模化生产线、北京新立基公司主要以青岛亨达实业有限公司的成果为基础,唐健正教授研发团队任技术总监,改进真空玻璃生产工艺,解决技术难题,建设20多个示范工程,2012年建成第一条生产线。韩国,LG hausys建筑装饰有限公司、Eagon门窗有限公司等也一直在研究。
2、欧洲
????英国阿尔斯特大学(University of Ulster )、瑞士联邦材料测试与研究中心(EMPA)、德国格林策巴赫公司(Grenzebach)作为专业制备材料运输控制设备的企业也对真空玻璃工艺及生产线进行研发。Ulster大学的对真空玻璃的研发一直处于实验室阶段,核心技术为双真空玻璃(3片),金属铟封边,支撑物直径0.3mm,间距25mm,样品的大小500×500mm,中心U值0.9W/m2.k;玻璃粉熔融温度450℃.该课题组的目标是双真空玻璃的U值0.3W/m2.k。但存在工艺复杂、成本高,合格率低等问题。德国格林策巴赫公司的真空玻璃为金属封边,支撑物金属或玻璃,寿命25年,中心U值0.6W/m2.k。

  • 美洲

????美国佳殿公司关于真空玻璃的授权专利有40多项。玻璃的支撑物为半透明陶瓷,间距0.25mm,2012年已实现全自动生产。美国能源部资助国际可持续能源实验室和劳伦斯伯克利验室研制真空绝热玻璃 ,资助金额超过二百万美元 ,这笔款项将专用于生产 R.1O(相 当于 值 0.6W/m ·K)窗户的真空绝缘玻璃 (VIG)组件的项目 。

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六、中国国内政策支持

国内对真空玻璃的发展也有很强的政策导向性,出台了世界上第一个真空玻璃行业标准JC/T1079-2008(真空玻璃》,玻璃行业标准JGJ113-2009(建筑玻璃应用技术规程》中包含真空玻璃的热工计算方法,十二五科技支撑计划中也包含了真空玻璃的相关研究课题。

????2012年 2月 22日,工信部正式下发《新材料产业“十二五”发展规划》,明确将Low-E真空玻璃列入其中,作为重点产品鼓励发展 ,在重大示范应用专项工程中予以推广,这是我国第一次将真空玻璃写入高规格的政策性文件中,释放了很强的政策信号。

????特别是为全面贯彻落实党的十九大精神,深入学习贯彻习近平新时代中国特色社会主义思想,加快发展先进制造业,推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合,突破制造业重点领域关键技术实现产业化,国家发改委制定了《增强制造业核心竞争力三年行动计划(2018-2020年)》制定了9个重点领域关键技术产业化实施方案:其中 9、重大技术装备关键技术产业化实施方案。其中,《新材料关键技术产业化实施方案》明确指出:要重点发展石墨烯,8.5代TFT-LCD及以上玻璃基板,显示面板用高强盖板玻璃,钢化真空玻璃,高性能氮化硅陶瓷材料,高性能石英玻璃等无机非金属材料,并从预期目标、组织方式、保障措施等方面给出了具体实施意见。这为钢化真空玻璃的产业发展指明了方向。

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七、真空玻璃发展的技术瓶颈

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真空玻璃以其优异的隔热性能 ,受到越来越多的关注。随着我国建筑节能的要求越来越高 ,大面积真空玻璃的商业化生产愈来愈显得迫切 ,尤其是 “被动房 ”的建设和推进 ,对建筑窗的散热提出了窗整体传热系数 ≤0.8w/(m ·k)的要求 ,考虑到窗框的散热,要求玻璃的传热系数≤0.6w/(nl。·k)。 目前 ,Low—E真空复合中空玻璃和三玻二腔双Low—E中空玻璃可以满足传热要求 ,但 三玻二腔中空玻璃较厚 ,对窗框的负荷较大 ,隔声性能也不如真空玻璃 ,因此真空玻璃的应用和生产就成为重点关注的课题 。上世纪80年代我国就已经开始研究真空玻璃,2012年前后进入一个快速发展阶段,青岛亨达和北京新立基为真空玻璃的发展做了大量的工作 。目前真空玻璃的商业化生产主要遭受以下几个瓶颈: 1支撑点 、2、封接料 3、封边技术 。

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八、真空玻璃的发展展望

(1)有报道,江苏强制阳台落地窗使用双层真空玻璃。江苏有关部门规定住宅建设中,所有北立面上的窗户和南立面上的阳台落地窗,都应该使用双层真空玻璃,不然会很难通过验收。
???(2)真空玻璃的技术瓶颈正在被不断攻克
??????经过专家学者的不懈努力,真空玻璃的商业化进程愈走愈近。(1)降低生产成本,做大真空玻璃面积是目前真空玻璃研制单位必须面临的问题。(2)在开发过程中,减少环境污染,降低生产能耗,走独立自主的研发之路,才能面对市场的机遇和挑战。
???目前,据资料表明我国的建筑能耗已超过30%以上,而建筑能耗的50%是通过门窗损失的,所以降低建筑门窗的能耗是一种长期有效的绿色行动,也是长期的可持续的发展的。真空玻璃以其优良的隔热、隔声性能必将成为建筑窗玻璃的新宠。它将带给建筑、家电等行业的发展,步入一个崭新的发展机遇。

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