!""# · #!$%%&’!((()*%$+,)-./)-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 ;<= 标准等级
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" !: !"
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)经国家建筑工程质
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
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。该研究组的研究
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
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
政策、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
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