突破四大难点,浙大教授给玻璃穿上“神奇外衣”

发布时间:2021-12-10 浏览量:1461 来源:浙江大学官方微信
我国是玻璃生产制造大国,自主知识产权的中国“洛阳浮法”是世界三大浮法工艺技术之一,产量占全球总产量的60%以上。但其中约八成是技术含量和附加值都较低的普通建筑玻璃,功能单一、不节能、不导电,也由此产生了建筑能源大量消耗、高档建筑用低辐射玻璃全部依赖进口、光伏发电领域缺少重要基础材料等系列问题。
 
“镀膜,是浮法玻璃实现低辐射和透明导电功能的最优途径,但长期以来,我国没有自主知识产权的在线低辐射镀膜技术和装备。”为提升中国玻璃的国际话语权,浙江大学材料科学与工程学院韩高荣教授带领着国内唯一长期稳定从事浮法在线镀膜技术研发的产学研团队,开展了长达近二十年的科研攻关。
 
在今年的国家科学技术奖励大会上,由韩高荣领衔的“浮法在线氧化物系列功能薄膜高效制备成套技术及应用”项目,获得国家技术发明奖二等奖。团队突破四大难点,取得四项重大技术发明,终于为中国玻璃穿上了高性能的“神奇外衣”,成功打破国际垄断。

浙大教授给玻璃穿上“神奇外衣”

破工艺之难,令不可能成为可能
 
国际社会普遍认为,浮法工艺退火区不适合实现低辐射镀膜,原因在于浮法玻璃工艺中退火区温度低,有效镀膜时间不足10秒,但是低辐射功能又要求膜厚大于300纳米,因此玻璃在退火区内的沉积速率必须大于30纳米/秒才能满足在线工艺的要求。
 
2001年起,韩高荣便下定决心:“国外另外两大浮法玻璃生产工艺制备的低辐射玻璃对我们专利封锁,我们就必须在洛阳浮法的工艺线上变不可能为可能!”
 
这份执拗推动韩高荣带领团队突破难题,终于打破了国际上对浮法退火窑不适合作为镀膜工艺区间的论断。
 
第一个核心突破便是锻造了“外衣”高效制备的工艺——薄流层爆发形核快速沉积方法的发明。这一方法建立起流层厚度、沉积速率的定量关系,通过催化剂水含量和薄流层厚度的调控,将退火区内的沉积速率从17纳米/秒大幅提升至45纳米/秒,超越了国外同类技术。
 
同时,在高速爆发形核下获得的氧化物薄膜,由100~300纳米的亚微米颗粒构成,每个亚微米颗粒由上万个5~10纳米大小的晶粒取向聚集而成,具有典型的微纳结构特征,物理、化学稳定性更加出众,也为新型产品的诞生奠定了基础。

破材料之难,新技术原创新产品
 
第二大难点在于产品,即在新工艺下生产出多功能低辐射的镀膜玻璃。
 
根据基尔霍夫定律,辐射率越小,反射率越大,节能效果越好。同时,辐射率越小,载流子浓度和迁移率越大,导电性能越好。在现实的应用场景下,中远红外低辐射功能要求材料载流子浓度高、迁移率大;近红外遮阳功能要求对太阳辐照透过小;可见光高透功能则要求材料禁带宽度大、折射率小。因此单一材料难以满足多功能低辐射的要求。
 
据此,能够满足北方寒冷地区和南方夏热冬冷地区节能要求的两种镀膜玻璃在项目中诞生了。
 
其一是项目组发明了高透低辐射玻璃镀膜技术,辐射率低至0.13、透过率高达80%的高透低辐射镀膜玻璃,是目前在线镀膜玻璃产品最优值,能够满足严寒地区的节能要求,实现了我国氧化物低辐射镀膜玻璃产品从无到有的突破。
 
其二是项目组发明了遮阳低辐射玻璃镀膜技术,制备了透过率可调(50%~80%)的水晶蓝、水晶黄等系列镀膜玻璃,兼具遮阳与低辐射功能,是国际首创的透过率可调的系列遮阳低辐射镀膜玻璃产品,这种产品在团队所处的杭州就特别适用。
 
韩高荣说:“氧化物薄膜的典型微纳结构特征十分有利于原位掺杂,我们原创的浮法在线原位掺杂和异质多层复合调控技术为生产新产品提供了条件。”

破性能之难,在战略领域新装上阵
 
在浙江大学材料科学与工程的国家重点实验室里,光度式椭圆偏振光谱仪对项目组研发的每一片玻璃进行测试,以保证玻璃内部结构与性能的稳定。
 
在精密仪器的镜头下,我们看到了其中一款玻璃内的全新结构——被称为“类金字塔型陷光结构”。这种结构正是项目组基于薄流层爆发形核快速沉积方法,引入了晶面调整剂与雾度调整剂,创建了晶面择优取向与雾度调控技术,可以满足“神奇外衣”下太阳能电池的吸光要求。

突破四大难点,浙大教授给玻璃穿上“神奇外衣”

在光伏发电这一战略领域,具有导电率高、耐高温、成本低特点的FTO透明导电玻璃是新兴的重点产品。而在此项目之前,FTO镀膜技术与产品一直被国外垄断,制约了我国建筑光伏一体化等重点领域的发展。
 
项目组将其作为第三大突破方向,在成功获得类金字塔型陷光结构的同时,发明了夹层复合膜层透明导电玻璃技术。这是一种在国际上率先获得的电阻率小,雾度可调、耐热的新型透明导电玻璃产品,完全可以替代进口产品,满足建筑光伏一体化对透明导电基板的要求。
 
更可贵的是,项目研发的高效节能和透明导电这两类新产品,可对浮法玻璃生产线进行不停产、低成本改造,快速实现从普通浮法玻璃到高性能镀膜玻璃的产品升级。
 
正如项目组在千禧年初立下的志愿,定要推动我国从玻璃大国向玻璃强国的转变。

破量产之难,高效清洁更低成本
 
浮法退火区在线镀膜面临动态连续、复杂环境、大跨度、长周期等一系列严苛条件,大面积均匀高效镀膜被国际同行视为技术“禁区”。韩高荣说:“针对这一挑战,我们发明了浮法退火区在线镀膜成套技术和装备,解决了大面积均匀高效镀膜难题。”
 
其成功的关键是发明了浮法退火区在线镀膜的核心装备,并同步开发了热油循环、冷壁式石墨结构、筛网均匀布气等技术,实现了单日大面积连续均匀镀膜达40000平方米,厚度偏差小于10纳米,成分偏差小于1%,“神奇外衣”不再稀缺。
 
为保证清洁化生产,实现低成本,项目首创了主原料低温冷凝回收与废气处理技术,将镀膜原料利用率提高至75%,降低镀膜成本三分之一,尾气排放远低于国家标准。

浙大教授给玻璃穿上“神奇外衣”

中国建筑材料联合会在对项目验收时这样评价,项目成套技术和装备“解决了膜层干涉着色、大面积颜色均匀性难控制的世界性技术难题”。
 
从基础理论、核心技术、产品开发到关键装备的全链条创造发明,韩高荣带领团队原创技术,打破垄断;项目技术已在国内外十余条浮法玻璃生产线转化实施,在上万项建筑工程推广应用,同类技术产品全球市场占有率约50%,累计新增销售额52亿元。
 
而项目技术利用浮法玻璃生产余热,产品生产无二次能耗,高效环保。以镀膜玻璃产品平均节能25%计算,每年减排二氧化碳约900万吨,节约标煤约300万吨,为我国建筑节能战略的实施提供了重要支撑,必将为我国“双碳”目标的实现作出贡献。

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