真空玻璃及其发展前景

!""# · #!$%%&’!((()*%$+,)-./)-0 样品类别 厚度1//2 玻璃3间隔3玻璃 不同频段的透过衰减分贝（45） #""—#6" !""—7#8 9""—67" :""—#!8" 6""—!8"" 7#8"—8""" 积分平均值达到日本 ;<= 等级 真空玻璃 73")#37"6 !! !> 7# 78 7> 7# 7# 7" 中空玻璃 73637"#! !" !! !" !? 7: !7 !: !" 中空玻璃 73#!37@#: #? #> !" 7! 9" 7" !: !" 表 7 隔声性能（引用国外数据） 样品类别 厚度（//） 玻璃3间隔 3玻璃 室外气温（结露温度）（A） 室内湿度 8"B 室内湿度 6"B 室内湿度 >"B 室内湿度 :"B 真空玻璃 （普通玻璃） 73")#37"6 C#6 C6 7 : 中空玻璃 （普通玻璃） 73637"#! C: " 6 ## 表 ! 防结露特性（引用国外数据） 条件：室温 !"A，室内自然对流，户外风速 7)8/ D *。 # 真空玻璃概述 真空玻璃（E,-FF/ GH,IJ0K）不同于目前已广泛应 用的中空玻璃（L.FMH+ GH,IJ0K）。它是基于真空杜瓦瓶 （保温瓶）原理拓展而来的最新型透明保温材料，可广泛 应用于建筑物及车船门窗、保温箱柜（如展示柜、冷藏 柜）等各种需要透明隔热材料的领域，达到保温、防结 露、结霜、隔声等目的，是一种新型绿色环保建材。 真空玻璃和中空玻璃的结构完全不同。粗浅地说，最 基本的差别在于两片玻璃之间的间隔内是“有气”还是“无 气”。这一基本差别形成两种不同工艺及技术含量的产品。 中空玻璃可以说是第二代透明门窗材料，性能比第 一代的单层或双层窗优良得多，而与中空玻璃相比，真 空玻璃又具有很高的综合性能优势。 ! 真空玻璃的优良性能 !)# 真空玻璃的隔热性能 表 # 所示为在同样条件下的热阻、表观导热系数及 传热系数（N 值）对照表。由表中可见，同样建筑用门窗 玻璃制成的产品，真空玻璃的热阻值高于中空玻璃。因 此，按国际标准计算出的传热系数则低于中空玻璃。由 于真空玻璃的真空间隔只有 ")#C")!//，其总厚度比中 空玻璃小 ! 至 7 倍，所以其表观导热系数大大低于中空 玻璃。由表中数据还可以看出，使用带有低幅射膜玻璃 制作的真空玻璃，优势更为明显（注：热阻值越高，N 值 越低则隔热性能越好）。 !)! 真空玻璃的防结露结霜性能 由于真空玻璃热阻高，其防结露结霜性能也相应提高。 表 ! 数据显示，与同类中空玻璃相比，真空玻璃在 室外温度更低时才结露。 !)7 真空玻璃的隔声性能 表 7 数据显示，在大多数频段，特别是中低频段，真 空玻璃的隔声性能优于中空玻璃，总体隔声等级高于中 空玻璃。 !)9 真空玻璃的抗风压性能 表 9 数据显示，由于真空玻璃是将两片玻璃牢固结 合成的“结构体”，刚性很强，其抗风压强度超过同样厚 度玻璃制成的中空玻璃两倍。新立基公司生产的 #8""O 6""O6// 真空玻璃（带铝合金窗扇）经国家建筑质 量检测中心检验，抗风压强度达到国际 G5 D P>#"6C:6 一级标准。 使用真空玻璃可以使窗户变薄，窗框变窄，整窗变 轻，这不仅使建筑师的设计空间更大、节约了窗框材料， 也减轻了建筑物的承重。 唐健正 贾玉英 杨捍东 样品类别 厚度（//） 玻璃3间隔3玻璃 热阻 1QC#/!R2 表观导热系数 1Q/C#RC#2 N值 1Q/C!RC#2 真空玻璃 （普通玻璃） 73")#37"6 ")#::8 ")"7#8 !)?!# 中空玻璃 （普通玻璃） 73637"#! ")#"># ")##! 7):77 中空玻璃 （普通玻璃） 73#!37"#: ")#777 ")#78 7)9:7 真空玻璃 （单面低辐 射膜 +@")!7） 93")#39": ")98#! ")"#88 #)687 中空玻璃 （单面低辐 射膜 +@")!7） 63#!36@!9 ")7!#? ")">96 !)#"! 表 # 热阻、表观导热系数与 N 值 S N值计算根据美国 T=PU 标准 V#9!7（#??#） 真空玻璃 及其发展前景 新材料应用 技 术 98 !" · "##! $%%&’!((()*%$+,)-./)-0 样品类别 厚度1//2 最大容许载重（34） 玻璃5间隔5玻璃 真空玻璃 65#)!56 78# 中空玻璃 65956 （9表示空气间隔） "6! 单层平板玻璃 6 !:8 表 7 面积为 !/"样品的最大容许载重 综上所述，真空玻璃在保温隔热、隔声、抗震抗风 压、防结露结霜及厚度、重量等方面的综合性能优势是 明显的。 "); 真空玻璃的超级组合特性 特别值得强调的是，如果把真空玻璃与目前已趋于 成熟的中空玻璃、镀膜玻璃、夹层玻璃、贴膜玻璃等玻璃 深加工技术结合，组合成各种“超级玻璃”，则各种具有 更高超物理性能的门窗将会出现在各种应用领域。 将夹层玻璃技术与真空玻璃技术结合，生产出的 单面或双面的“夹层真空玻璃”，可以安装到高层建筑 物、展示柜、冷藏柜等任何需要安全玻璃的位置，达到 既节能又安全的目的。 “真空—中空”玻璃，热阻基本上可视为真空玻璃 与相应的中空玻璃相加，隔声性能又大大提高。如使用 钢化玻璃及夹丝玻璃与真空玻璃组合，可大幅度提高 其抗风压和抗冲击强度。在真空玻璃和超级玻璃中使 用各种镀膜玻璃，可获得低红外辐射、低紫外穿透等各 种具有特殊光学和热学性能的玻璃，来满足不同领域 的需要。例如，冷藏展示柜的玻璃柜门既要求美观、透 视度高，又要求节能，还要求在高温高湿环境下不结霜 结露，这就要求门的热阻高。目前，市场上的产品多为 两层或三层玻璃或有机玻璃构成中空玻璃结构，厚度 大但热阻仍不够高，达不到上述要求。如果采用<超级玻 璃<技术，就可以根据需要设计出各种结构来满足要求。 实验证明，如果把一台展示柜的中空玻璃门的其中一 块玻璃换成真空玻璃，可以节能约 "#=，抗结露特性也 相应提高。另外，也可以用双面镀膜的高热阻真空玻璃 门来替代中空玻璃门，不仅热阻、节能、抗结露性能好， 在气压低的高原地区也不会发生中空玻璃常有的“涨 裂”问题。在冷藏展示柜等家电领域使用真空玻璃的研 究刚刚起步，还有许多工作要做。 综上所述可见，广阔的市场前景将带动玻璃深加 工行业走上一个新台阶。由于真空玻璃属绿色节能环 保产品，它不仅将带来巨大的经济效益，还将带来巨大 的社会效益。 6 发展真空玻璃事业 6)! 真空玻璃的起源 如何才能更快更好地发展真空玻璃事业？要回答这 一问题，不妨先从真空玻璃的发展历史中得到一些借鉴。 首先要充分认识到真空玻璃是高新技术产品，它的 研发生产需要多种学科、多种技术、多种工艺的配合，否 则难以成功。 从 !8>6 年占姆士·杜瓦（?@A) B) C+D,A）发明杜瓦瓶 后，关于真空玻璃的专利就不断出现，详情可参阅悉尼 大学研究组的综述性文献E!F。尤其是进入二十世纪八十 年代以后，受世界性能源危机和环保呼声的推动，使真 空玻璃的研发出现了高潮，大量有关专利涌现。而绝大 部分未能成功，除了社会经济等因素外，另一个主要原 因就是许多专利是个人行为，缺乏多学科的配合。 从杜瓦瓶到真空平板玻璃必须解决多方面的科技 难题，例如：与杜瓦瓶不同，真空玻璃是一个具有小容 积、大表面积且形状狭扁的玻璃真空腔体，一块尺寸为 !/G!/ 的真空玻璃，两片玻璃间隔只有 #)!H#)"//，则 其真空容积约为 #)###!H#)###"/6，而其表面积大于 "/" （其中主要是两块玻璃板的内表面，还有所占比例不高 的支撑物等其它非玻璃表面）。这样就必须解决两个问 题：一是对如此狭小空间能否快速获得使气体对热传导 的贡献可忽略不计的真空度；二是对如此大的表面积能 否充分排气以保持该真空度。这两个问题不解决，就不 可能生产出真正意义的“真空玻璃”。 又如，与杜瓦瓶圆柱形抗压结构不同，平板型真空 玻璃必须使用支撑物来承受 !# 吨 I /"的压力，同时要 保持真空间隔并使该支撑物在整体结构中产生的各种 应力在建筑玻璃设计标准允许的范围内。这样才能保持 真空玻璃产品必需的强度和力学寿命。这就要求对支撑 物的材料的物理化学特性及其几何形状、几何分布都要 做出精心地选择和设计。 再如，与杜瓦瓶不同，真空玻璃是门窗用透明材料， 因此在进行抽气口、支撑物和镀膜层的设计和选料时必 须不影响结构的透光和美观，这是真空玻璃的又一难 题。 6)" 真空玻璃的发展 回顾近几十年真空玻璃研发史，有两个研究集体的 成就和影响是显著的。一个是美国克罗拉多太阳能研究 所（?JKL）由 C)M) N+0*.0 教授领导的真空玻璃研究组。 他们早在 !>8; 年至 !>>! 年期间投入人力物力对真空 玻璃进行研发，做了大量理论和实验工作。虽然最终未 能成功，但取得了宝贵的经验，提出的许多理论和思路 都值得借鉴。他们的典型专利 E"F提出，用玻璃珠（直径 #)6H#);//，间距 ";H6;//）阵列作为支撑物把两块玻 新材料应用7: !""# · #!$%%&’!((()*%$+,)-./)-0 样品 编号 封边材料 支柱材料 样品厚度 （//） 热阻（平均值） （12#/!3） 4值 51/2!32#6 # ")78//9:; 膜 !")78//合金丝 7<")78<7 ")"!# =)>! ! ")78//9:; 膜 !")78//9:; 膜 7<")78<7 有真空 ")"!# =)>! 无真空 ")"!7 =)?? 7 ")!=//@A膜 ")!=//@A条 7<")!=<7 ")"#B =)C? B ")!=//@A膜 !")#B//合金丝<锡纸 7<")!=<7 ")"#B =)C? = ")78//9:; 全夹层玻璃 7<")78<7 ")"#! ?)"7 ? 两片 7//玻璃自然叠放 7<7 ")""C ?)#B > 单片 ?//玻璃 ? ")""? ?)!= 表 = 负压玻璃热阻测试结果 璃隔开，放进真空加热炉中烘烤排气，达到要求的真空 度后用二氧化碳激光束在红外探测照相机指引下沿玻 璃边缘加热，使两块玻璃熔合而制成真空玻璃。该设备 已达到了很高的水平。 现在看来，该研究组未能制成真空玻璃的主要原 因是玻璃边缘在激光束高温加热时产生气泡，而这些 气泡破坏了两片玻璃间隔在真空炉内已达到的高真空 度。其次，该研究组试图用普通玻璃珠阵列做支撑也是 不可能成功的。后来的实验证明，在此条件下玻璃珠无 法承受极大的大气压而破碎，当初该研究组由于未制 成真空玻璃而不可能深入认识到这一点。 另一个继 D@EF 之后的研究组是悉尼大学应用物 理系 E)@) G.HHI0*教授领导的真空玻璃研究组。在总结 D@EF经验基础上，他们又回到了传统的电真空器件（如 灯泡、显像管等）制作理念上。比如，两块玻璃边沿用低 熔点玻璃粉熔封；设置一个抽气管对玻璃间隔内抽真 空；选用金属和陶瓷材料制作支撑物⋯⋯实验证明，上 述是可行的。尽管真空玻璃腔体狭窄，但由于腔体 体积很小，通过小口径抽气口快速达到要求的真空度 是可能的。后来又用计算机模拟计算，从理论上证明了 这一点，这就解决了前面提到的第一个难题的一个方 面（如何快速获取高真空度）。在此基础上，该研究组做 了大量实验和理论工作，申请了几个具有代表性的专 利 J7K。#CC! 年又发表的文章《透明真空隔热材料》JBK。该文 虽然现在看来深度远远不够，但由于其极具开创性及 后来该研究组的贡献，该文于 #CC> 年被国际太阳能协 会授予“鲁道夫最佳论文奖”。应该指出的是，虽然该研 究组在 #C8C 年以后一再声称已研制成功真空玻璃，但 实际上，真正称得上达到实用阶段的第一块 #/L#/ 尺 寸的真空玻璃是在 #CC7 年初才真正研制出来。这是在 对真空玻璃另一个难题———应力问题，特别是边缘应 力有了较深入的认识之后才做到的。 而在 #CC> 年前，由于缺乏玻璃专 家、电真空专家的配合，该研究组对真空 玻璃中大面积表面的排气问题的认识还 是不足的。直到 #CCB 年底，日本板硝子 株式会社（以下简称板硝子）得到悉尼大 学专利使用权并进行工业化生产后，认 识才逐步深化。该研究组的总 结了真空玻璃的研发成果J=K。#CC>年 #月 !C日，日本板硝子（AI&&.0 D$++% MH,** G.)）正式宣告推出真空玻璃产品。日本各 大媒体争相报导“神奇玻璃”问世。 但是，也值得引起关注的是，国内外 都有一些专利试图把夹层玻璃技术和设备稍加改动来 制作真空玻璃。其特点是利用制作夹层玻璃用的 9:; 或 @A 膜或其它有机材料作为玻璃封边材料。在 8"N至 #B"N的温度和大约 #"2!9, 的真空条件下，热压成形， 支撑物则模仿 D@EF 或悉尼大学，选用金属等无机材 料，还有的直接建议用 9:; 或 @A 等材料。毫无疑问， 如果这些设想能实现，则将使真空玻璃的生产工艺大大 简化。比如，把高温封边改为低温，去掉了抽气口和封口 工艺等，便于大批量生产并降低成本，节约能耗。但是许 多发明者缺乏真空技术方面的专家配合，他们往往忽略 了一些真空器件中常有的问题。例如有机材料是否适用 于静态真空器件，在 #""N左右低温条件下，能否使玻 璃表面达到充分排气等。 通过理论分析及大量实验工作，得到大量样品的测 试结果是类似的，只挑选几种典型结果列于表 =。 由表中数据可以看出，样品 #2B 在抽真空之后得 到的热阻极低，比表 #中普通真空玻璃的热阻低将近 C2 #7倍，比 ?//间隔的中空玻璃也要低 =至 8倍。比表 ? 中第 =、?、>项所得夹层玻璃，两片自然叠放玻璃及单片 玻璃热阻稍高，从反映节能效果的 4值看，#2B项样品更 无法与真空玻璃相比。况且表中样品 !数据表明，考虑到 测量误差等因素，抽真空与不抽真空的结果是一样的，也 就是说，真空处理是没有必要的。在低真空度范围内理论 上很容易解释，在接近大气压的一定负压范围内，由于气 体分子运动平均自由程已远小于容器线度，气体对热导 的影响基本上是恒定的。为了明确“真空玻璃”的物理概 念，严防混淆，我们可以把上述这类玻璃称为“负压中空 玻璃”或“负压玻璃”。它们不具有产业化的价值。 7)7 展望真空玻璃的未来 综合上面对历史和现实的分析，我们在发展真空玻 璃事业时，要提倡多学科的配合协作，把材料科学、真空 技术、物理测量技术、工业自动化技术及建筑科学等多 新材料应用 技 术 B> !" · "##! $%%&’!((()*%$+,)-./)-0 种学科的力量组织起来，为这一新产业发展打好基础， 把好方向。 总结历史，还应该看到，现代高新技术项目的发展 绝不是个人行为所能完成，没有规模化的运作就很难 成功。要形成规模化，就必须有政府、企业、社会团体从 、财力等各方面的通力支持。1234的工作曾得到美 国能源部的大力资助，而悉尼大学研究组一直得到沙 特阿拉伯王子基金和澳大利亚能源委员会的资助，后 来又得到板硝子等企业的支持。从 !55" 年起，联合国 所属国际能源委员会（426）把此项目列入该委员会倡 导的第 !7 号任务“先进玻璃材料”之中。德国、瑞典、挪 威等多家著名的权威研究机构，包括美国斯坦福大学 洛仑兹实验室为悉尼大学做了大量检测服务，为推动 此项目做了很大贡献。要发展真空玻璃事业，也应该借 鉴悉尼大学和 1234的经验。 在世界大多数国家中，真空玻璃还处于空白状态，这 给了我们发展玻璃深加工工业一个良好机缘。如果能看 清发展前景，吸取历史经验，扬长避短，把我国真空玻璃 事业发展成具有世界水平的民族产业是完全有可能的。 参考文献 ! 3)2) 8.99:0* ,0; <)=) 1:/>. ?!557@ A8BCC+0% *%,%B* .D %$+ *-:+0-+ ,0; %+-$0.9.EF .D G,-BB/ E9,H:0EAI1.9,C 20+CEF J.9)K"I L.)MI &&!75N"!MI !557) " O)P) Q+0*.0 ,0; 8)2)