真空隔热玻璃研究现状及产业化进展.pdf
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1、随着社会的不断发展,日益严峻的能源危机已经引起了人们的广泛关注,大家都清楚地意识到地球现有能源并不是取之不尽的,只有在提升能源利用率的同时降低能源消耗,才能够实现可持续发展。就我国而言,经过多年的能源开采,目前国内的煤炭、石油、天然气人均剩余可采储量仅占有全球平均值的 58.70%、7.69%、7.05%1。因此我国提出了碳达峰、碳中和的目标,通过减排、替代、节能来降低能源消耗,实现可持续发展,开发高效隔热保温材料是实现节能减排的重要手段之一。真空玻璃作为一种新兴的保温隔热材料,以其优良的保温隔热性能和高透光性在建筑、设施农业、太阳能光伏等领域脱颖而出。真空玻璃通过真空隔热技术,利用真空绝热原
2、理,有效消除对流,实现隔绝声音和热量,达到保温、隔热、隔音的效果。据报道显示,目前真空玻璃的传热系数已经低至0.40 W/m2 K2,隔热性能比中空玻璃好四倍左右;隔声量可达 39 dB,比中空玻璃提升 37,可以显著减少室内外热量交换,具有较好的保温、隔音效果。真空隔热玻璃应用于建筑围护结构和生产生活中,能够有效降低热能损失,实现减排、降能绿色生活,避免由于空调和暖气的过度使用引起的亚健康问题,不仅为人们营造了舒适的生活环境,还响应了国家碳达峰、碳中和的节能减排目标。1真空隔热玻璃研究现状1.1真空玻璃简介真空玻璃由两块平板玻璃构成,玻璃板之间呈真空状态,两块玻璃板间由高度为 0.10.2
3、mm 的若干支撑物呈方阵排列隔开3,通过封边焊料将两片玻璃板的四周进行封接从而形成一个整体,或者在其中一片玻璃板上预留抽气孔,真空排气后用封口片和玻璃粉将抽气口封住形成真空腔。常见的真空玻璃示意图如图 1 所示4。图 1真空隔热玻璃示意图1.2产品的早期成型1913 年,ZOLLER5首次提出真空玻璃的概念并且申请了专利,自此在世界范围内展开了对真空隔热玻璃的研究。直到 20 世纪 80 年代,人们才对真空玻璃进行了更加深入的研究,BENSON D K 教授6研究组通过 6 年的实验研究,对真空玻璃的技术理论和研究思路都取得了可观的成果。1993 年悉尼大学教授 COLLINS R E 等7-
4、8成功研制出第一块实用真空玻璃,并在 1994 年将专利使用权转让给日本。真空隔热玻璃研究现状及产业化进展王思雨,季节,陈敏哲,赵子怡,贾鹏(扬州大学机械工程学院,江苏扬州225127)摘要:真空隔热玻璃具有保温隔热、防雾防露、隔音性能好等优点,在日常生活中应用广泛。文章主要介绍了其发展过程和研究现状,从 4 个方面分析其发展现状,并对真空隔热玻璃的产业化进展做了详细的论述。关键词:真空隔热玻璃;研究现状;产业化进展4总第 236 期1996 年日本板硝子株式会社建立起世界上第一条真空玻璃生产线。而后美国佳殿公司研发出用无铅的玻璃粉做封边材料,半透明陶瓷作为支撑物的真空玻璃。目前国外真空玻璃主
5、要生产企业包括日本板硝子集团、松下、旭硝子集团和美国佳殿集团。我国对于真空玻璃的研究相较于国外起步较晚,直到唐健正教授回国才开始初步研究。2001 年,我国首家真空玻璃企业北京新立基真空玻璃技术有限公司成立,并于 2004 年建立了我国第一条年产量达 50 000 m2的真空玻璃生产线。2005 年,张瑞宏教授9首次采用高温侧边封接配以支撑柱的方法制备了真空平板玻璃,相较于日本板硝子公司的表面封接工艺,在保证玻璃安全稳定的同时也大大提高了生产效率。2012 年,青岛亨达成功研制出全钢化、无铅真空玻璃,同时该公司生产的真空玻璃通过美国佳殿公司传热系数测试,U 值可低至 0.7 W/m2 K10。
6、此外,我国还有一些起步较晚的企业,在国家政策的大力支持下也取得了很大的进步,为我国真空玻璃产业的迅猛发展提供了持久动力。1.3真空隔热玻璃发展现状真空玻璃产业化发展的关键在于真空玻璃的安全可靠性。下面将从应力状态、支撑物排布、封接材料和封接技术 4 个方面来论述真空玻璃的发展现状。1.3.1玻璃基片真空玻璃两玻璃基片之间形成真空腔,在负压作用下真空玻璃存在失效破裂的风险。由于普通钠钙玻璃的抗弯和抗冲击强度较低,破损后会形成尖锐棱角碎片,容易对人造成威胁,因此并不符合安全使用要求。而钢化玻璃的抗折弯强度、抗冲击强度都高于普通玻璃,大大提高了真空玻璃的强度和安全性11。钢化真空玻璃制造也一直是真空
7、玻璃发展史上的一大难题。由于真空玻璃边缘和抽气孔的封接需要在 450 左右进行,且升温、保温、降温时间均在 1 h 以上12,在这种高温下,钢化玻璃有退火成普通玻璃的风险,从而造成真空腔失效甚至玻璃破裂。针对以上问题,目前已有许多学者进行了深入研究。化山等13发现短波红外线具有较强的穿透深度并且可以实现高效率的内部加热,将其应用在钢化真空玻璃的封接上,实现了高效率生产。左树森等14研制出封接温度低于 360 的超低温玻璃粉,解决了真空隔热玻璃的漏气问题,提高其使用寿命。1.3.2支撑物设计真空玻璃中间层的支撑物起到平衡内外大气压差的作用。为了降低支撑柱的导热系数,应重点研究支撑柱的参数设计和制
8、造材料。杨东辉15用正方形排布的方式将直径为 0.6 mm、高度为 0.2 mm 的支撑柱,以 30 mm 间距放置在 2 块 800 mm600 mm 的玻璃基片之间,该装置工作效率高,最大作业速度可达45 块/h。李彦兵等16分析了在不同支撑排布方式和间距下,真空隔热玻璃单位面积所需要的支撑点数,最后得出支撑点间距 8 cm 的正方形排布方式为最佳排布方式。1.3.3封接材料用于玻璃之间封接的密封材料,根据化学成分的不同可以分为有机材料、金属材料和无机非金属材料(低熔点玻璃粉)。其中有机材料由于易老化、封边强度低、气密性差,不适合用作真空玻璃的封边材料。无机封边材料主要是低熔点玻璃粉,由于
9、含铅低熔点玻璃具有稳定性好、封接温度低、机械强度高的特点,因此被广泛应用于电子元器件以及液晶显示屏的封接中。但随着相关法律法规的提出,绿色、环保、无铅化越来越受到社会各界的关注,因此国内外诸多学者开展了对无铅低熔点玻璃粉相关研究,具体集中在铋酸盐、硼酸盐、钒酸盐以及磷酸盐玻璃的研究上。因为元素铋拥有和铅相似的外层电子结构,具有极性高、成玻区域大的特点,2017 年,王翔17通过测试不同质量配比对玻璃粉软化温度的影响,对 V2O5-P2O5-Bi2O3系玻璃进行了探索,研究发现Bi2O3对玻璃粉软化温度的影响最大,当 V2O5、P2O5、Bi2O3的比例为 67%28%5%时,玻璃的软化温度最低
10、降至 325。周阳18对不同封接温度下,无铅焊料与真空玻璃结合的性能进行研究。封接温度在350 时,无铅焊料与真空玻璃之间元素迁移很少,未能形成结合层;封接温度在 410 时,虽然形成结合层但结合情况很差;封接温度在 470 时,还未达到完全熔融的效果,结合面处有微小的未熔融的颗粒,结合程度还是不够;当封接温度达到 530 时,无铅焊料层与真空玻璃层完全实现结合,因此,530 为无铅焊料最佳封接温度。1.3.4封接技术阳极键合又称静电键合,具有工艺简单、密封性好等特点,可以将其应用于真空隔热玻璃的封接上,王思雨等:真空隔热玻璃研究现状及产业化进展粤耘栽圆园23.45总第 236 期以达到提高真
11、空隔热玻璃性能的效果。阳极键合基本原理图如图 2 所示21。鲁晓莹19对玻璃/铝进行了阳极键合实验,并得出温度 400420、电压400600 V、时间 1015 min 为玻璃/铝阳极键合最佳范围。刘翠荣等20对键合界面的微区进行分析,得出不同材料键合界面过渡层分别由 A12SiO5、Fe-SiO3、Na5AlO8等氧化物构成。目前,阳极键合技术的工艺过程以及如何提高键合强度等方面还需要进一步的研究。图 2阳极键合基本原理图激光封接技术是另一种封边技术,具有气密性好、导热系数低的优点22。KIND H 等23对尺寸为50 mm50 mm、厚度为 3 mm 的玻璃基片进行密封试验,将熔块粘贴在
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