【贵友玻璃软件】半钢化真空玻璃———高效节能玻璃研发的新突破

2014-09-03 贵友玻璃软件 贵友 贵友

1 什么是半钢化真空玻璃

在图1 所示的真空玻璃结构中,两片玻璃不是普通玻璃而是半钢化玻璃,则称为半钢化真空玻璃

普通玻璃通过深加工处理,使玻璃表面形成压应力层,玻璃强度会大大提高,可称为强化玻璃。又依表面压应力不同,分为钢化玻璃和半钢化玻璃两个品种,其表面应力如表1所列。


2 为什么要研制半钢化真空玻璃

钢化玻璃强度高,抗冲击强度和抗弯强度比普通玻璃高3~5倍,抗热冲击性能也大大提高,而且破碎后形成不带尖锐刀锋的小颗粒,对人伤害小。但由于多种复杂的原因,钢化玻璃发生自爆的机率较高,研究表明,特别是当表面压应力≥52.0MPa时,由于玻璃内部杂质引起的自爆机率大大增加。

测试结果表明,按特定工艺制成的半钢化玻璃的抗弯强度比普通玻璃高约4倍,虽然比钢化玻璃略低,但不会发生自爆,对于高层门窗幕墙,使用半钢化夹层玻璃,即使撞碎也不会有尖锐碎片伤人。因此,我国很多幕墙专家呼吁使用表面压应力50MPa左右的半钢化夹层玻璃作为高层幕墙玻璃的首选,既有一定强度,又达到安全、可靠的目的。因此,近年来,特别是对于高层幕墙建筑,不用钢化玻璃的呼声日高。新近建成或将要建成的上海环球金融中心、中央电视台新址等一批大型公共建筑物都全部采用半钢化玻璃。

目前生产的真空玻璃都是普通玻璃制成的,存在强度不足的弱点,能否制成半钢化真空玻璃和夹层半钢化真空玻璃代替上述这些中空玻璃,成为一个瓶颈性课题。

3 研制半钢化真空玻璃的难点在哪里

由于用于真空玻璃边缘和抽气口封接的玻璃钎焊料的工作温度高于430,如果用钢化或半钢化玻璃制作真空玻璃,在如此高温条件下,它们将会退火成普通玻璃。如果用制成的普通真空玻璃,进行高温后骤冷的钢化处理,则真空玻璃会失去真空度或破裂。所以,数十年来研制半钢化真空玻璃是真空玻璃技术发展中的一个世界性难题,也是影响真空玻璃产业化的技术瓶颈之一。

国内外厂商多年来试图解决此难题的各种方法可归纳为:

(1) 用各种低温封接材料(如软金属、树脂等)代替玻璃钎焊料。

(2) 用分区加热的方法在保持玻璃主体温度不高的条件下,以微波、高频、红外射线、激光等手段对封接部位重点加热。

(3) 研制较低温度的玻璃钎焊料并控制加热时间。但至今尚未见有成功的产品问世。我们经过长时间攻关,通过创新工艺技术和设备,取得突破性进展,在2008 年试制成半钢化真空玻璃,初步测试结果表明,各方面性能均比普通真空玻璃大幅提高,有很大的发展潜力和空间。

4 半钢化真空玻璃的优点

研制成的半钢化真空玻璃的表面应力可在50~100MPa 间选择调控,实际已包含钢化玻璃范围,我们选择表面应力不同的样品做测试。虽然大量的实验和测试还正在进行中,但从初步测试数据看,与普通真空玻璃相比,半钢化真空玻璃的优点已非常明显,表现在:

4.1 强度大幅提高

(1) 按国标要求的四点弯曲法对半钢化真空玻璃的玻璃板进行破坏拉应力检测,结果表明,在表面应力为50~80MPa范围内,强度约为普通玻璃4倍,约50MPa时冲击后裂缝为辐射状,半钢化特性最显著。当表面应力约为95MPa时,强度约为普通玻璃5倍,冲击后粉碎为小颗粒,呈完全钢化玻璃特征。

(2) 抗风压强度达到国家标准最高级。测试结果显示半钢化真空玻璃风压变形性小,破坏风压高,已达到国家标准最高级。如果在上述半钢化玻璃两侧再用两块玻璃作成复合夹层真空玻璃,抗风压强度将更高。

(3) 抗温差强度提高。用如图2所示热箱对真空玻璃作温差试验。图2 中上盖玻璃为800×800mm的单LOW- E真空玻璃。箱内加热器加热功率可调控,由温差引起玻璃弯曲的变形量可由千分表测出。半钢化真空玻璃在内表面温度达到100,内外表面温差△T将近80时仍能保持完好,实验中保温时间超过半小时,试验后真空玻璃K值无变化。而普通真空玻璃在此温差时破裂。

4)抗冲击强度提高

试验表明,半钢化真空玻璃抗冲击性能有明显提高,但根据我国标准规定半钢化玻璃不能列入安全玻璃类别。

目前,建议在高层门窗幕墙等要求安全玻璃的场合使用如图3所示的夹层半钢化真空玻璃或外夹层内贴膜半钢化真空玻璃。


4.2 传热系数(K值或U值)极低,为节能玻璃之世界冠军

如图4 所示,真空玻璃中心部位的热导C 真空主要由辐射热导C 辐射和支撑物热导C支撑物相加而成,可表示为:C真空=C辐射+C支撑物。而中心部位传热系数K 值由下式决定:

式中 C——内表面换热系数

C——外表面换热系数

要降低传热系数,就要降低C真空,而降低C真空有两个途径,一是通过采用低辐射的LOW-E膜来降低C辐射;二是降低C支撑物。由于半钢化玻璃的强度比普通玻璃高得多,所以支撑物直径可减小,间距可加大,从而使C支撑物减小也达到降低C真空和传热系数的目的。


2给出用相同的支撑物制作的半钢化真空玻璃和普通真空玻璃的传热系数相关数据的对比。

2中所列的辐射率ε0.170.110.050.03的四种LOW- E玻璃都是市场上已有供应的。但其LOW- E 膜随存放情况会有变化,也会因制造真空玻璃时的加热而变化,已经用这些玻璃制成半钢化真空玻璃,并已经或正在通过权威部门检测,最后优选使用。可以看出,单LOW- E半钢化真空玻璃的传热系数已在0.3~0.8 W/(m2K)范围,比普通真空玻璃和中空玻璃大幅度降低,用这些LOW-E玻璃制作的普通真空玻璃在0.6~1.0W/(m2K)之间。充氩气(间隔≥12mm)中空玻璃在1.1~1.5W/(m2K)之间。


4.3 半钢化真空玻璃的隔声性能优于普通真空玻璃

真空层是隔声的,真空玻璃中由于有支撑物形成声桥,使隔声性能下降,但仍比普通玻璃好。半钢化玻璃中支撑物数量大大减少,少于普通真空玻璃的四分之一,因此从理论上看,隔声性将提高,初步测试结果如表3所示。很显然,如果把表3中样品的玻璃和夹层加厚,达到国家Ⅰ级标准45dB以上也是可能的。


4.4 半钢化真空玻璃比普通真空玻璃更美观

由于玻璃板强度增加,支撑物间距加大1倍以上,数量减少为普通真空玻璃的四分之一以下,支撑物直径也可做的更小,肉眼更看到和看清支撑物的存在,使半钢化真空玻璃给人的感觉更通透、更美观。


4.5 半钢化真空玻璃保持了普通真空玻璃的其它优点

(1) 由于K值低,热阻高,抗结露结霜性能好。而且由于支撑物数量大大减少,发生在支撑物这些热桥周围的结雾现象更加不明显。由于间隔层是全玻璃密封的真空层,杜绝了内结雾内结露的现象。

(2) 由于间隔层是全玻璃材料密封真空层,又加有长效吸气剂,内部又没有如显像管和灯泡等电真空器件中必须装的发热元件,所以现代真空技术完全可以保证真空玻璃达到20年以上的真空寿命。

(3) 众所周知,目前生产的高质量低辐射LOW- E膜,都是以银膜为基础的,很怕受潮氧化,这种膜置于真空玻璃中则是找到了最佳庇护所,可以确保其高效长寿。

(4) 由于真空玻璃本身是负压器件,不存在运到高原低气压地区或遇到负风压时产生胀裂问题,也不存在水平和倾斜安装时中空玻璃存在的热导变大的问题。

综上所述,半钢化真空玻璃比普通真空玻璃具有更强的综合性能优势。

5 半钢化玻璃的应用前景

由上述优点可见,半钢化真空玻璃比普通真空玻璃应用范围更广,特别是图1 所示的夹层半钢化真空玻璃可用于高层门窗幕墙和家电、车船等需要安全玻璃的领域。

从热工角度看,K值可成倍降低,节能降耗将十分显著,而且大大改善室内环境;而厚度成倍减少,重量也减轻不少,可大大降低建筑物承重及钢材用量,降低建筑成本,并使真空玻璃的种种优点充分发挥。

6 中国真空玻璃研发和应用水平目前位居世界前列

真空玻璃研发和生产在中国已进入第十一年,中国在此领域的研究和应用水平已处于世界前列,表现为:

(1) 先后申请20 多项专利,大多已获授权,内容涉及真空玻璃技术、吸气剂技术、复合真空玻璃等关键技术领域,解决了国内外多年未能解决的难题。这些专利及多年来开发的工艺技术确立了我国真空玻璃产业的独立自主知识产权地位。

(2) 在上述软件支持下,先后在青岛和北京建成生产试验基地并通过建设部科技司的验收,基地不仅生产产品供应市场,也进行了生产工艺和设备的大量中试,为设计现代化生产线奠定了基础。

(3) 在上述软、硬件支持下,创造了多项世界第一,如:①根据发明专利使用在真空玻璃中的包封吸气剂及解封方法等专利,在国际上最先将吸气剂置入真空玻璃产品,解决了产品真空寿命问题。②在世界上率先研制出半钢化真空玻璃。③在北京地区先后完成近20 项真空玻璃应用工程创造了多项世界第一,如:北京天恒大厦(2005 年建成)是世界首座全真空玻璃大厦(用真空玻璃10000 m2),也建成世界首个真空玻璃幕墙(7000 m2)。清华大学超低能耗示范楼(2004 年建成)是世界首座采用真空玻璃幕墙和窗户的低能耗示范楼。北京生命科学院温室(2006 年建成)是世界首座采用真空玻璃顶棚的建筑。长河湾住宅小区(2007 年竣工)。奥运村绿色微能耗幼儿园(2008 年竣工)

。石家庄建设厅(2008 年建成)。

(4) 200712 月在中国建筑材料联合会、中国建筑用玻璃标准化技术委员会和中国建筑材料科学研究总院等单位支持下,通过了世界首个真空玻璃行业标准,并已经国家发改委批准施行。上述成果已引起国内外关注,也促使国外加大对真空玻璃研发的关注和投入。

7 发展真空玻璃产业的意义

1)有助于节能减排,保护环境并为人民创造舒适的室内居住环境。我国能源消费总量2006 年就已达23 亿吨标准煤,建筑能耗按27%计算相当于6.21 亿吨标准煤。门窗能耗占建筑围护结构能耗的一半。由于我国400 亿m2 以上现有建筑中95%不节能,门窗保温、隔热、密封不良造成的能耗折算成标准煤高达亿吨。2006 年统计,我国玻璃幕墙安装总量已超过1亿m2年增量超过1500m2,大部分因保温隔热性能差成为能耗大户,使本来优点突出的玻璃幕墙成为众矢之的。因此,保温性能优越的真空玻璃无论用于新建筑还是旧房改造都会产生巨大的经济效益和社会效益。

2真空玻璃可形成专利技术、生产线设备、产品应用技术等软、硬件结合的位居世界前列的成套工业体系,不仅可在国内转让,更可在国际上成套出口,改变我国玻璃行业技术设备大部分依赖进口的局面。开创玻璃工业高技术出口的新局面。

3)真空玻璃的发展将带动玻璃深加工行业(镀膜、钢化、夹层等行业)的发展,并可与其它玻璃和建材产品结合开发出各种新型复合真空玻璃产品和复合真空墙体材料,带动整个建材行业的科研、生产、应用更新换代并形成新的产业链。

8 期盼

经过十多年的努力,真空玻璃这颗从国外引入的种子已在中国生根发芽,成长为一棵具有中国特色的幼苗。现在已进入关键的成长期,能否长大成树,由树成林,全仗园丁的栽培浇灌。期盼社会大众,特别是有关政府部门各级领导和企业界、金融界、科技界的人士给予关注和支持,加大政策和财务的扶植力度,让真空玻璃早日走进千家万户,让科学家把保温瓶装在窗户上的百年梦想成真。


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