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轻薄化多功能化集成化智能化是深加工发展趋势-【新闻】

发布时间:2021-04-05 14:49:42 阅读: 来源:铆钉厂家

1、前言

玻璃深加工有悠久的历史,公元前7世纪,美索不达米亚有了磨刻玻璃,公元前340 ̄33年埃及出现了夹金玻璃,为现代夹层玻璃的始祖;公元12世纪末到13世纪初,欧洲出现了涂金属镜子,是较早的镀膜玻璃;公元15 ̄16世纪,威尼斯人采用了施釉、镀金、刻花等深加工方法;到了工业革命以后各种玻璃深加工方法更得到普遍应用⑴。

玻璃的深加工率和品种是衡量一个国家玻璃发展水平指标之一。以平板玻璃为例,二十多年来我国平板玻璃产量一直居世界靠前,但深加工率仅有35%,十二?五末期计划达到45%,而发达国为80%以上;发达国家深加工品种有200多种,我国仅为发达国家的1/10;发达国家深加工玻璃增值率为1:5,我国仅为1:3,由此可见我国与发达国家玻璃深加工仍有很大差距?,处于玻璃产业链低端,是玻璃大国而不是玻璃强国。为此必须以研发和创新为战略思想发展我国的玻璃深加工产业,本文就深加工的内涵和外延,深加工的现状和发展趋势进行探讨。

2、玻璃深加工的内涵及其外延

玻璃深加工是以玻璃为基片或基述通过机械加工、热加工、化学处理改变其表面形貌、表面结构、表面成分和应力状态及其它性能获得要求物性与功能,扩展其用途。玻璃深加工有显著的特点,如玻璃通过深加工能获得基片或基迷所不具有的功能,如镀TbFeCo磁光薄膜的信息记录盘,贴光栅膜产生虹彩效果。同一玻璃经不同方法深加工有不同效果;如镀抗反射膜成为防眩玻璃,键反射膜起遮阳作用,贴变色膜能在不同光强或不同电场下改变颜色。深加工的原料、能源消耗少,污染低,节能环保;如整体着色的有色玻璃,所需着色剂多,需髙温溶化,挥发后还污染环境,而采用镀着色膜、贴装饰膜和扩散着色则可减少这些问题。深加工虽然方法繁多,加工原理各异,但归纳为:

⑴纳米微粒沉积沉积物以原子、离子和粒子团簇形态在玻璃表面形成纳米(urn)薄膜,如物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)薄膜。

(2)介观或微观粒子沉积沉积物以介观(mm级)或微观级)尺寸颗粒形态在玻璃表面形成覆盖层,如热喷涂着色、施釉、描金。

(3)整体覆盖将覆盖材料同一时间施加在玻璃表面上,如贴铁甲防暴膜、夹金膜。

⑷表面形貌、表面成分、表面结构的改性如化学钢化(离子交换)、蒙砂、磨砂、防霉涂层,但玻璃深加工效果也有一定局限性,如表面扩散着色很容易得到黄、棕、红色,很难得到蓝绿等多种颜色,色泽也不及整体着色鲜艳;有些表面膜和涂层不耐磨,易受侵蚀,常发生剥离和脱落现象;表面处理的深度还受到一定的限制,如离子交换深度从十几微米到几百微米,离子注人深度只有几百纳米到一千多纳米。如这些层磨损后,深加工效果受到影响。今后深加工要着重发扬其特色,并通过新技术、新工艺来减少和克服负面影响。

3、现代表面科学理论和先进制造技术正改变深加工现状

现代的玻璃表面结构、表面和界面效应、表面物理化学理论以及表面测试手段,推动了玻璃深加工由复制仿造向立意创新方向发展。随着计算机容量和速度的提髙,分子动力学(MD)模拟已由表面结构、界面结构及其迁移率、偏析亂微裂纹结构、表面扩散和薄膜生长方面发展至原子尺度断裂方面,从原子层社探讨玻璃断裂的本质,从而为玻璃增强深加工开辟新途径。

分形论(fractaltheory)可用于断裂表面的模拟、断裂表面的分维和表面膜的生长以及高能量脉冲电子束对玻璃表面的作用方面;而逾渗(percolation)理论对玻璃表面微区塑性性质、扩散、断裂力学和多孔介质性能,可进行模拟预测,这些理论均为现代表面深加工技术奠定了理论基础。先进材料和髙新技术的发展与玻璃深加工技术起互相麵作用。通过玻璃深加工,提供一批織材料和核心材料,如用镀膜技术在玻璃表面制备了各类型光学薄膜(增透膜、反射膜、分光膜、选择性滤光膜、阳光控制膜、低辐射膜、防激光膜)、微电子元件膜(导电膜、传感器膜、超导膜、集成电路基片膜)、集成光学膜洸波导膜、光开关膜、光调制膜、光偏转膜)、光子学膜(平面波导膜、激光减反射膜、難反射膜)、信息存储膜(磁记录膜、光盘存储膜)、防护功能膜(防紫外线、防红外膜、防微波膜、防电磁辐射膜、防雾膜、高强度膜、髙硬度膜)、装饰膜(虹彩膜、仿金膜)、光催化膜、抗菌杀菌膜、智能膜洸敏变色、热敏变色、电场变色等)、太阳能电池膜等

从先进材料所要求玻璃新的性质和功能又促使进一步开发了新的深加工技术,以满足先进材料的要求,如2015年计划发射到太空的记录光盘,就是以石英玻璃为基片,通过光谱烧孔方法存储信息,容量为1.5GB,不仅能存储文字和照片,也可记录视频,特点是能适合宇宙空间恶劣条件,加热到1000度保温2h情况下数据仍不会丢失,此玻璃光盘保存时间可达1亿年,提供了充足时间以发送到其它星球。智能手机的发展要求高强度,抗磨损,高热稳定性能的玻璃手机盖板(cover),于是Coring公司在2014年底推出Gorilla4玻璃,采用双阶段离子交换法对铝硅酸盐玻璃进行化学钢化,达到从1m高度掉到地上,10次不碎裂,而同样操作条件下,普通钠钙玻璃100%碎裂。

高新技术为玻璃深加工提供了新的发展平台,以玻璃表面研磨抛光为例,自浮法玻璃大量生产后,其优越的表面质量取代了传统的研磨抛光生产线,但现代的离子束抛光、等离子体辅助抛光、磁流变抛光等高新术提供的超精密、超光滑的表面,使抛光技术产生了质的飞跃。如用能量4 ̄50KeV的Ar+或Xe+为离子源的离子束抛光工艺,抛光后玻璃表面形状的精度为0.1pm,表面粗糙度仅为0.01pm。美国Kodak公司已制成2.5m离子束抛光系统,加工玻璃直径0.5m,平均粗糖度0.5nm。等离子体抛光是用等离子体促进抛光气体邮4等)与玻璃表面发生化学反应,生成易挥发的混合气体(SiFj,从而将玻璃表面粗粮层去除,达到抛光效果,平均粗糖度为0.5nm。磁流变抛光是由计算机控制的小磨头,但此磨头不是传统意义上机械磨头,而是由磁流变抛光液在磁场作用下形成的“柔性”磨头,其形状和硬度可由磁场控制,玻璃抛光后得到表面粗糖度小于1nm的超光滑表面,特别适用非球面光学镜头。

虽然激光切割、激光雕刻、激光内雕在玻璃深加工中早已常见,但飞秒激光出现,使激光深加工进入飞秒时代。以激光内雕为例,采用飞秒激光诱导玻璃表面形成色心,不仅可以实现玻璃中三维光存储,而且能将飞雜光诱导色心,写人的图像在紫外光照射后,发出绿色的光。在掺杂Au+的玻璃通过飞秒激光照射,再经热处理,由于Au+-AU°价态的变化,使玻璃中内雕不仅是白色而且可呈紫红色。在国际展览会上展出,专家均认为此玻璃内雕已超捷克水平。

传统的玻璃镀膜方法大都为真空气相沉积,磁控溅射,化学气相沉积和溶胶-凝胶法,存在镀膜速度慢、膜厚不均勻、膜层易脱落等缺点。上世纪末,逐步开发等离子辅助物理气相沉积(PAPVD)、等离子体化学气相沉积(PACVD),PACVD又包括了直流等离子体化学气相沉积(I>PCVD)、交流等离子体化学气相沉积(ACPCVD)、射频等离子体化学气相沉积(RFPVCD)、微波等离子体化学气相沉积(MPVAD)等。以PAPCD为例,具有反应温度低(小于550¥)、镀膜速度快、膜层致密、附着性好等优点,已用镀ITO膜作液晶显示器、镀TiN膜作仿金装饰膜。利用激光束辅助化学气相沉积(LACVD)法在玻璃表面镀类金钢石(DIC)膜,制成高硬度手表蒙、光学窗口材料和场发射表面显示器(FED)等。本世纪初笔者用强流脉冲离子束(HIPIB)方法在玻璃表面镀ITO膜,二次等离子的密度约为K^atoms/cm2,—次脉冲即可制成65nm的膜厚,镀膜速度比一般设备快很多。

古典的深加工技术也得到继承和发扬,明清以来,我国高官和富商的宅第以彩色套料刻花玻璃作窗,称为“满洲玻璃”,某镇现存64块玻璃,有一两黄金一块玻璃之说。2013年笔者采用透明料套色料成形后经热摊平再刻花再现了古代满洲玻璃,达到古建筑修旧如旧的效果'

4、轻薄化、多功能化、集成化、智能化是深加工发展趋势

根据科学发展观的要求,玻璃深加工今后要按工业化与信息化相结合,集成创新,绿色环保走轻薄化、多功能化、集成化、智能化的道路。

4.1轻薄化

轻薄化可节约资源消耗、降低环境污染。减少运输成本,因此深加工尽量采用轻薄化的玻璃原片和坯体。以平板玻璃为例,按我国产量3550万吨计算,如厚度减薄20%,可减少玻璃用量710万吨,降低能耗213万吨标准煤,减排C02570万吨,减少运输车辆74万辆次(按20吨载重量计算)[11]。以手机为例,较初的i-Phone厚度11.6mm,重量137g,而i-Phone5厚度减至7.6mm,重112g,i-Phone6厚度更降至6.9mm〇手机厚度的降低必须要将玻璃基片和盖板的厚度减薄,玻璃厚度已由过去1.3mm降到.目前0.3mm。旭硝子在2014年制成可弯曲的0.05mm厚度的SPOOL玻璃,能卷成圆卷,能以卷对卷(RoletoRole)方式制造显示器。Schott也在2014年在国际触摸屏展会上展出仅有25卿 ̄100叫的超薄盖板玻璃。玻璃虽然轻薄化,但强度和硬度不能降低,脆性不能增加,因此促进了化学钢化技术和发展。Coring公司研制了铝硅酸盐成分的Gorilla系列手机面板玻璃,一般平板玻璃抗弯曲强度为89MPa,经化学钢化后Gorilla抗弯曲强度提高到265MPa〇化学钢化前脆性值为6.174,化学钢化后脆性值降到2.755,断裂韧性也由钢化前1.0511MPam1Q提髙到化学钢化后2.1744MPam1/2〇Coring公司将Gorilla玻璃不断升级换代,Gorillal化学钢化后压应力3=800MP+Gorma3>900MPa;Gorillal应力层深度彡40um,Gori]la3衾50jim,做到完全可以弯曲。Goima3的抗磨损能力比Gorilla2提髙3倍,可见划痕减少40%[121〇除离子交换增强外,还可通过离子注人增加玻璃强度和硬度,苹果公司用能量l〇KV ̄100KV,剂量1013 ̄1019i〇ns/cm2的Ar、N、Ti等离子对手机蓝宝石、玻璃面板进行增强和增硬,达到较好效果。

4.2多功能化

同一种玻璃经过深加工后,使其不仅具有一种功能而且有多种功能。例如笔者用掺杂3%Zn的Ti02膜,既有光催化功能又有杀菌功能;基片为钠钙平板玻璃,以钛酸四丁脂[ri(0C4H4)4]为先驱体,加乙醇、二乙醇胺勝后,再加人醋酸锌Zn(CH3COO)2溶液,制成溶胶,在玻璃表面涂膜后,然后在550丈处理即得光催化膜,不仅对甲基橙的光催化率65%以上,而且对大肠杆菌、绿浓杆菌、葡萄球菌都有明显的杀菌作用'Schott研发的抗菌玻璃AntimiciDbialGlass则是兼有增强和杀菌功能。基片为SiOfA^OfMgO-N&O-K20玻璃,厚度为0.3-0.7mm,在KN03熔盐中加入AgN031-5%,离子交换后表面压应力600 ̄1000MPa,断裂力>1000N。按美国ASTM2180-01的方法测试,对绿脓杆菌、金色葡萄球菌、黑曲霉、大肠杆菌、沙门氏菌、均符合抗菌标准,也可符合中国建材行业标准JCT1054-2007上对大肠杆菌、金色葡萄球菌试验要求。

Coming公司推出的含Ag+的抗菌保护玻璃,除有抗菌特性,还具有Gorilla的髙强度、抗划伤、耐用性和坚固性,用于电脑、移动电话、计算器、电话机与其他电子显示器面板,特别适合支付终端,这些较易受很多人群触摸和污染的设备上。

4.3集成化

集成化和多功能化密不可分,通过集成化达到多功能化,但两者还是有所区别。集成化是采用两种不同性质材料通过集成洳复合、叠层)实现多种功能,或者在同一基片上施加不同处理方法,以达到多种功能要求〇蓝宝石具有极髙的硬度达到9,而玻璃硬度为6-7,蓝宝石特别抗磨损,而且热稳定性髙,耐水、大气、风沙、汗水侵蚀能力好,但价格比玻璃髙十倍;于是应用夹层玻璃工艺,外层为抛光精度很髙的蓝宝石,通过光学胶与底层玻璃粘接,制备手机用的复合蓝宝石面板,既发挥了蓝宝石的耐磨性,又降低了成本tl5]。传统的手机面板为三层设计即LCD(S示屏)/触摸屏/保护玻璃,现在集成为OGS(OneGlassSolution),将触摸板玻璃与保护玻璃功能集成在一起,一片玻璃既是触摸板又是保护板,与两片玻璃相比,厚度减少30%,重量减少26%。手机玻璃面板另一种集成,是将化学增强的基片上镀10 ̄7〇Mjn单层Si02(或F-SiOj或Y203-Ti02-Si02减反射膜,较外层再涂烷氧基甲烷聚醚DC2604的疏水、疏油脂的防指纹污染涂层。

4.4智能化

智能化指材料或器件具有自我测试(诊断)、自我控制(控制)、自我修复的能力。对于玻璃深加工产品来讲,目前已做到前两个阶段,即自我测试和自我调节功能。智能化是集成化和多功能化的综合,通过集成和多功能化达到智能化。目前玻璃深加工智能化产品主要集中于智能化建筑上,使智能化建筑玻璃具有自动调光、自动调湿、隔声、自清洁、抗菌杀菌、空气净化、光伏一体化、太阳能集热、光催化反应制氢等功能。智能玻璃视屏幕墙是将玻璃触摸屏、显示器与投影仪结合,形成具有互动效果的玻璃幕墙可达到100寸大小;不打开电源时是一块透明玻璃幕墙,打开专用投影设.备,就成为触摸显示屏,不仅可播放电视、电影、PPT,而且可以手指在屏上写字,进行触摸控制。

第四次工业革命提出建立智慧工厂,生产智能产品,为玻璃深加工发展指出了明确方向。

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