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新玻璃的发展方向

发布时间:2016/5/12

今后新玻璃的发展方向为纳米化、复合化、集成化和智能化。

(1)纳米化当材料的织构与结构尺寸从毫米、微米趋向纳米时,纳米尺寸的零维纳米 结构(超微粒子、纳米团簇、量子点)、一维纳米结构(纳米管和原子链、半导体量子细线、 分子导线)、二维纳米结构(量子阱和超晶格、超薄膜、自发组织膜和电极)、三维纳米结构 (纳米玻璃、纳米陶瓷、多孔硅等)具有一系列的纳米材料特性,如小尺寸效应、表面效应、 量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等,通过玻璃结构的纳米化,研制出超亮度发光玻璃、控 制光波导的“光子晶体”玻璃、超高强度玻璃、高性能过滤器玻璃、大容量光储器玻璃等纳 米新材料。

(2)复合化(composite)或杂化(hybrid)将玻璃材料与金属材料、高分子材料进行 复合或杂化。以应用为目标,集合这三类材料的优点,进行宏观尺寸的复合化,传统的玻璃 纤维增强塑料即是此类型复合化材料,新玻璃复合的尺寸愈来愈小,甚至达到纳米级水平的 复合,构成一种均匀多相的材料,其中至少有一相或一维在纳米数量级,故又称杂化。一般 有物理共混合化学复合两种方法。物理共混是将有机分子通过填孔方式与有机质复合,如将 甲基丙烯酸甲酯(MMA)及其聚合物PMMA与SiC)2复合成Si〇2-PMMA (MMA)的有

机/无机玻璃复合材料。将甲基三乙氧基硅烷(MTES)和7-缩水甘油氧基丙基三甲基硅烷 (GPTMS)通过化学键合直接嫁接到无机玻璃网络上,如与Si02凝胶玻璃组成Si02-GPT- MS,也可将MMA与Ti02凝胶玻璃组成有机/无机玻璃键合材料。此种用苯核(phenyl) 或环氧核(epoxy)与硅、钛等化合物有机/无机玻璃键合材料,如CH3Si(OC2H5)等,并 用与无机玻璃网络嫁接键合来实现复合改性,称为有机改性桂酸盐(organically modified silicate)简称ORMOSIL。在ORMOSIL中掺杂有机荧光染料、激光染料、光敏变色染料,也可用一种染料单独引人,也可用多种染料同时引入,以制备非线性光学材料和激光材料,例 如用有机染料pyryliumG掺杂于TiC)2修饰的ORMOSIL中,二阶非线性系数可达12900 X 10-Hesu,用pyrromethen597掺杂Si〇2-G的ORMOSIL中效率为66%,可调节范围为 556〜588mn,光稳定性为30GJ/mol。将半导体纳米微晶如CdS引人到ORMOSIL中,掺 杂量可达20%以上,产生量子尺寸效应,有较高的三阶非线性光学系数,力学性能也较好。 此外金属有机化合物、C6。和富勒烯等也可引入的ORMOSIL中去,以制成新玻璃。某些生 物类物质,如蛋白质、酶等,可以封存到孔状的溶胶玻璃中,形成生物凝胶体,以控制生物 反应,在生物技术、酶工程上很有用途。

(3)集成化将多种功能新玻璃集成一起得到具有新功能的玻璃。最简单的就是反射低 辐射玻璃(eclipes avantage)在浮法玻璃上镀多层膜,将热量和阳光控制、高可见光透过 率、低反射率、眩光控制结合在一起。在玻璃表面镀Ti02/Si02多功能集合膜,既具有自 洁净功能又具有亲水性。将光催化Ti〇2薄膜和多晶硅薄膜集成光电转换玻璃。

(4)智能化智能化指对环境条件可感知且可响应,并有自适应能力的材料系统和结 构。最早的智能材料是被动式,在玻璃表面镀光致变色膜,受阳光照射,自动改变透光度, 但透光度深浅是不易控制的。现代智能窗是玻璃基片上第一层镀导电膜,第二层镀电致变色 膜,第三层镀离子导体膜,第四层镀离子储存膜,可根据光照后变色,而且程度由外电压控制,是智能自动式。目前智能窗有几种类型,第一种是根据光的强度来控制玻璃颜色,光线 强时,玻璃变成蓝色或其他颜色;第二种是根据光的强度来控制玻璃的透过率与反射率,光 线强时,玻璃变成乳浊,光线弱时变为透明;第三种是根据温度来控制室外进入室内的红外 线与可见光透过率,以调节室温。例如德国研制的Ucolite智能变色天窗,在室内就很方便 地进行光控,夏季室外光强时,玻璃变为蓝色,而且颜色是逐渐变化的,法拉利公司在汽车 展上向外界展出了用于车顶天窗的智能变色窗。又如英国研制的智能玻璃可选择性吸收和反 射红外线,以保持室内冬暖夏凉。国内学者将平行取向高分子网络/小分子液晶/手性化合物 复合材料夹在两层玻璃中,利用高分子物质体积随温度变化,使穿过双层透明玻璃光线途径 发生变化,当室外温度高于室内时,智能玻璃可见光和红外线透过率下降,有效地阻止太阳 辐射进人室内,而当室内温度下降时,玻璃的红外线透过率升高,使室外更多的红外线通过 玻璃进入室内,起了调温作用。目前研制的光伏-电致变色窗,即太阳能自供电智能窗 (PV-ECW),利用太阳能产生的电流供智能窗进行电致变色控制,解决电致变色的电源和安 装问题。

近代的智能建筑玻璃是将集成化和智能化于一体,具有自动调光、隔音、防热、空气净 化、抗菌杀菌等功能,还可将光伏一体化(太阳能电池发电)、太阳能集热、光催化反应制 氢和玻璃幕墙结合,形成节能、环保、资源综合利用的智能建筑。

按照纳米化发展的新品种纳米玻璃,也具有或部分具有复合化、集成化和智能化的特征。

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