现代玻璃材料现状与展望
现代玻璃材料已成为广泛应用于信息显示、新能源、绿色建筑等多个领域的关键材料，与传统玻璃相比，在应用领域、性能、功能、成分和制造技术等方面都有了极大的拓展和提升，技术和产品研发难度大，工业化生产需要多学科、多技术的高度复合集成。 本文回顾了现代玻璃材料的发展历程，介绍了国际现代玻璃材料技术的最新研究概况，总结了我国现代玻璃材料在原料提纯、成分设计、熔化、成型、精深加工等关键环节的技术创新成果，简述了我国TFT-LCD超薄玻璃基板、触摸屏玻璃、微铁高透过率玻璃等现代玻璃材料主流产品的产业现状。从薄型化、超白高透化、大尺寸化、多功能化等方面展望了现代玻璃材料产品的发展趋势，从结构-性能关系、声学、光学、表面技术、生物性能、熔化等方面提出了现代玻璃材料的研究方向。 随着科技的进步与社会的发展，玻璃已不仅是传统意义上的普通建筑材料，而是成为广泛应用于信息显示、新能源、生物医疗和航空航天等多个领域的关键材料，同时，这些领域的应用对现代玻璃材料的性能、功能、组分和制造技术提出了越来越高的要求，新技术和新产品的研发难度越来越大，因此现代玻璃材料的工业化生产需要多学科、多技术的高度复合集成。 自OttoSchott开创玻璃科学研究100多年来，科学家们对玻璃材料进行了更深入、更广泛的研究与探讨。 现代玻璃材料与传统玻璃相比在应用领域、性能、功能、成分和制造技术等方面都有了极大的拓展和提升，它不仅将应用领域由传统建筑延伸至绿色建筑、信息显示、新能源、生物医疗、激光光源及航天等领域，还具有更好的光学特性、几何机构和物理性质。如微铁高透光率玻璃的透光率≥94.6%，比传统玻璃透光率87%有了很大提升，微缺陷也大幅减少；信息显示玻璃则具有平整度良好、厚度薄的特点；在强度方面，高铝盖板玻璃抗压强度可达900MPa以上，传统玻璃只有35MPa左右；TFT-LCD玻璃基板应变点≥650℃，传统玻璃应变点则在460～510℃。 在国际上，美国、日本、德国、法国等发达国家非常重视现代玻璃材料的基础研究和工程技术研究，其技术水平和产业化应用处于世界领先地位。 现代玻璃材料是美国工业界近几十年来最重要的技术创新领域之一，从耐高温硼硅酸盐玻璃、微晶玻璃到TFT-LCD超薄玻璃基板，形成了现代玻璃材料领域的众多创新成果。如美国NSF（国家科学基金会）在过去的7年里，持续支持了25所美国大学进行玻璃科学研究；美国康宁公司通过不同途径对大学和玻璃研究团体提供了定向资金支持，推动了玻璃领域的前沿科学研究，为玻璃工业发展储备了前瞻性技术。 根据对《世界玻璃》、《物理评论快报》、《非晶固体期刊》、《美国陶瓷学会期刊》、《化学物理学期刊》和《国际应用玻璃科学期刊》等玻璃相关科学期刊的论文统计，国际现代玻璃材料研究课题中，约21%涉及硅酸盐玻璃研究，17%涉及现代玻璃材料的理论模型研究，13%为金属玻璃研究，10%为硫系化合物玻璃研究，7%为玻璃聚合物理论研究，6%为玻璃分子动力学研究，6%为玻璃自旋体研究，4%是磷酸盐玻璃研究，3%是凝胶玻璃研究，2%是硼硅酸盐玻璃研究，2%是微晶玻璃研究，9%是其他玻璃研究。由此可以看出，国际现代玻璃材料研究重点突出，特别重视相关基础理论研究。 中国现代玻璃材料技术创新进展 现代玻璃材料的应用领域十分广泛，其中主流产品是应用于电子信息显示、太阳能、绿色建筑等领域的TFT-LCD超薄玻璃基板、触摸屏玻璃基板、微铁高透过率玻璃、铝硅酸盐高应变点玻璃、低辐射玻璃、智能光控玻璃等，这些玻璃具有超薄、柔性、超白、多功能等特性，传统玻璃生产工艺技术已无法满足其生产需求，只有多学科、多技术高度复合集成创新、协作开发，攻克原料提纯、玻璃成分设计、新型熔窑开发、超薄成型、精深加工等技术难题，才能实现现代玻璃材料的创新与突破。 我国现代玻璃材料虽然总体上与发达国家仍有一定差距，但经过近10年的自主创新，在上述主流产品领域已经突破国外技术封锁，核心装备已实现国产化，产品和技术均达到国际先进水平。 根据科技部公开信息，从2000年到2014年，我国共颁发国家科技进步奖2642项，国家技术发明奖522项，国家自然科学奖479项。全部国家奖项中玻璃领域虽仅有9项成果获奖，其研究领域主要分布在浮法玻璃技术、风挡玻璃技术、光学玻璃技术、玻璃镀膜技术和光伏玻璃技术，但这些领域的创新成果为提升我国现代玻璃材料技术和产品打下了坚实的基础。 1.原料提纯技术 优质原料是生产高品质现代玻璃材料的先决条件。微铁高透过率玻璃（光伏玻璃）是太阳能电池不可替代的关键材料，但生产光伏玻璃所需的优质脉石英资源在我国又十分稀缺，该产品长期依赖进口。 为突破优质脉石英资源短缺对光伏玻璃发展的制约，必须利用储量丰富的普通石英岩资源生产出铁含量≤60ppm的ppm级光伏玻璃用石英砂。但是我国普通石英资源杂质含量较高，传统选矿方法无法生产出光伏玻璃用石英砂，主要难点如下。 普通石英资源中杂质存在形式复杂，其中连生体杂质去除是选矿过程中的难点，特别是粗颗粒中的连生体杂质。光伏玻璃生产工艺要求石英砂为粗颗粒，石英砂粒度范围为30~120目（0.6～0.125mm）比例≥95%，因此不能采用磨细的方法实现单体解离。 在自然成矿过程中，天然矿物表面往往被伴生的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等各种杂质离子所浸染，导致“表面趋同”现象，妨碍了传统浮选捕收剂对杂质矿物的选择性吸附，传统浮选方法无法实现这一目标。 针对上述难题，通过学习和借鉴我国著名选矿专家孙传尧院士等研究的单链结构硅酸盐矿物霓石（NaFe-Si2O6）的晶体结构与表面特性及可浮性联系的重要研究成果，我国开发了“阳离子+非离子”型专用混合浮选捕收剂，具有捕收能力强、水溶性好、耐低温、可循环使用等特性。该捕收剂中的特定组分可与矿物表面伴生的K+、Na+、Ca2+、Mg2+等杂质离子发生反应，较好地克服了矿物的“表面趋同”现象；同时利用药剂中的不同组分有针对性地吸附于各种杂质矿物表面，从而达到选择性捕收目的，进而开发了高效短流程浮选工艺，能够快速高效低成本生产ppm级石英砂。 上述难题的突破实现了普通石英资源的深度提纯，对我国光伏玻璃行业的可持续发展意义重大。 2.玻璃成分设计 玻璃的性能都是由其成分和微观结构直接决定的，为满足不同应用领域对现代玻璃材料的各种性能要求，必须设计相应的全新玻璃成分及配方。 超薄信息显示玻璃是信息显示产品的关键核心材料，对玻璃的光学、力学、热力学、几何性能要求极高，同时对玻璃材料表面的疏水疏油（防指纹）、抗静电等性能也有极高要求，生产难度极大，技术长期被国外少数企业垄断。我国相继自主开发了TFT-LCD超薄玻璃基板配方、触控高强盖板玻璃配方，为超薄信息显示玻璃国产化奠定了基础。 TFT-LCD液晶显示对TFT-LCD超薄玻璃基板提出了无碱无砷、高化学稳定性、高热稳定性、微缺陷、低密度以及高弹性模量等性能要求。 同时TFT-LCD超薄玻璃基板的成型工艺对玻璃带的下垂量提出了要求，理想数值在70mm左右。结合电子玻璃行业经验，并分析TFT-LCD超薄玻璃基板结构-特性以及导入的各种化学成分在TFT玻璃体系中的功能机理，发现提高Al、Si含量可以增加玻璃的杨氏模量；降低Ba、Sr可以减小密度，但是Al、Si含量的增加会导致玻璃高温黏度增大，给熔融、澄清带来困难，对耐火材料的耐侵蚀能力和铂金通道的高温强度提出更高的要求；Ba、Sr在TFT-LCD超薄玻璃基板生产中的作用不仅仅是调节理化性能，在熔化过程中还起着提供气体组分、降低气体分压、调节窑内气压的作用，与难熔组分共同作用形成低熔点共熔物，从而降低硅酸盐熔点。 采用自主开发的半定量成分设计软件，经过正交试验的方法，确定一组方案进行生产线试制。经测试，TFT-LCD超薄玻璃基板性能指标良好，采用该配方生产的玻璃基板满足下游产业的要求。 3.新型熔窑技术开发 由于现代玻璃材料成分与传统玻璃有极大的不同，熔融难度大，在熔化过程中对窑压控制、温度场控制、流场控制、澄清效果等提出极高的要求。针对TFT-LCD超薄玻璃基板无碱难熔、澄清困难等难题，集成创新了全氧燃烧和电熔式熔窑，并采用自有专利技术开发的池底鼓泡技术、铂铑合金澄清技术、全氧燃烧技术，攻克了TFT-LCD超薄玻璃基板生产中熔化和澄清两大技术难关；针对太阳能玻璃液热透性高、垂直对流弱等难题，开发了全新的中国式太阳能玻璃熔窑，使中国现代玻璃材料主流产品的熔窑技术达到世界先进水平。 针对传统玻璃微缺陷多、能耗高等问题，通过熔窑仿真模拟和大量的实验研究发现，熔窑的结构和工艺对微缺陷控制和能耗有重大影响，据此提出了台阶池底、全等宽投料池、窄长卡脖、侧烧式工艺、宽窑池等微缺陷控制的新方法，并开发出高效节能的新型熔窑。 4.成型技术开发 TFT-LCD超薄玻璃基板、触控高强盖板玻璃等信息显示玻璃液粘度大、表面质量要求高、几何性能要求高，成型难度极大。我国开发了具有完全自主知识产权的系列成型工艺技术及成套装备，突破技术封锁，实现了采用大规模工业化方式生产准光学质量的玻璃材料。目前我国已生产出0.3mm的TFT-LCD超薄玻璃基板，产品质量达到国际先进水平，被誉为摘取了玻璃领域“皇冠上的明珠”。 针对国外太阳能玻璃生产过程中存在的均匀性差、微气泡难以控制等难题，我国开发了“宽液流”成型工艺技术及成套装备；与国外技术相比，产品的良品率提高了15%，综合能耗降低29.76%，实现了我国太阳能玻璃从无到有的突破，快速达到国际先进水平。 目前信息显示技术已向轻柔化方向发展，国际上已出现柔性显示产品，这对信息显示玻璃提出了超薄化、柔性化的要求，其生产技术难度更高；为此我国加强研发攻关，开发出完全自主知识产权的柔性玻璃等梯度温降（g值）逐级拉薄技术与装备，目前已实现0.2mm柔性超薄触摸屏玻璃基板稳定量产，达到国际先进水平。 玻璃展薄技术决定了玻璃厚度的可控性、玻璃运行的平稳性，以及玻璃表面的微观波纹度。根据温度—粘度曲线，确定了最佳的拉薄温度区间。通过对0.2～1.1mm各品种生产的玻璃带的温降速度和强制拉薄温度区间长度进行精确计算，引入g值概念，即锡槽纵向每米温降速度。根据热平衡计算，对锡槽的电加热区域进行了合理分布和功率配置，对锡槽结构设计、拉边机保温、锡液对流控制进行研发和改进，控制纵向温降速度，结合等速比拉薄技术，将0.2～1.1mm不同品种的g值有效控制在3～8℃/m范围。此g值有利于超薄玻璃的展薄和玻璃质量的稳定。 根据浮法玻璃的成形理论，玻璃厚度偏离平衡厚度越多，就必须施加更大的展薄力，以对抗玻璃带的收缩，相应的需要增加拉边机对数，强制拉薄区长度随之加长,需要的g值越小。与普通浮法成形相比，g值的控制难度就越大，为了有效的控制g值，研发了短强制拉薄区长度技术、锡液流动控制技术等相关技术。 目前我国采用等g值控制技术生产的超薄玻璃厚薄差可控制在±0.1mm内，优于国家标准±0.5mm的要求，达到国际先进水平。 5.精深加工技术开发 精深加工技术是现代玻璃材料多性能复合集成、拓展应用领域的重要手段之一，主要有超薄玻璃基板低温镀膜技术、复合镀膜技术、化学钢化技术、表面处理技术等。 目前信息显示超薄玻璃主流产品厚度为0.5mm、0.4mm、0.3mm，在该厚度等级下，尺寸精度、平整度、翘曲度等几何性能成为产品的核心质量指标，但在高温加工时极易出现变形。低温镀膜技术和成套装备的国产化解决了上述难题。 现代玻璃材料产业现状 2005年之前我国平板玻璃产量连续10多年居世界首位，约占世界50%，但只能生产普通浮法玻璃，现代玻璃材料产业处于空白，市场完全被国外垄断。 我国玻璃行业科技工作者自上世纪90年代起开展原料提纯、玻璃成分及配方、新型熔窑、超薄成形、精深加工等关键核心技术与装备的自主研发，成功实现现代玻璃材料主流产品的产业化。 2005年建设了我国第一条微铁高透过率玻璃生产线；2010年TFT-LCD超薄玻璃基板生产线稳定量产；2014年10月生产出0.3mmTFT-LCD超薄玻璃基板；2015年3月生产出0.2mm柔性超薄触摸屏玻璃。 在信息显示玻璃产业方面，目前美国康宁、日本电气硝子、日本旭硝子三家公司掌握高世代TFT-LCD超薄玻璃基板的生产技术并正在进行产业化布局。我国已能稳定量产4.5～6代TFT-LCD超薄玻璃基板，目前正在进行8.5代TFT-LCD超薄玻璃基板核心技术与装备攻关。 目前移动显示领域应用最广的是4.5代TFT-LCD，其关键材料4.5代TFT超薄玻璃基板，于2012年在国内由中建材成都中光电科技有限公司率先实现稳定量产，综合良率达到75%的国际水平，开发出无砷环保料方，生产出国内最薄的0.3mm产品，打破国外垄断，替代进口。截至2014年底累计销售333万片（折合224万m2），目前国内市场占有率达26.82%。 2014年全球TFT-LCD超薄玻璃基板产量4.11亿平方米 在触摸屏玻璃方面，触摸屏玻璃包括超薄触摸屏基板玻璃和触控高强盖板玻璃。超薄触摸屏基板玻璃主要用作触控传感器，触控高强盖板玻璃主要用作防刮伤、抗冲击的触摸屏盖板材料，目前能够生产触摸屏玻璃的国家有美国、日本、德国、中国。 在太阳能玻璃方面，目前，中国在产微铁高透过率玻璃生产线总的日熔化能力近18290t·d-1，产能居世界第一，并建成单窑熔化能力900t·d-1的世界最大生产线，每年约有20%的产量出口国外。2014年底在产产能主要集中于安徽、江苏、河南、浙江、陕西、福建、山东、天津、广东、山西、上海、河北、江西等地。 我国微铁高透过率玻璃产能主要分布在华东、华中和华北地区，3个地区产能占比分别为64.90%、12.10%、10.09%。合计产能约占全国87.09%。 而中铝高应变点玻璃是CIGS薄膜电池必不可少的基板材料，目前只有法国圣戈班、日本旭硝子等企业能够生产。2014年全球中铝高应变点玻璃产量达1250万m2。我国已开发出中铝高应变点玻璃核心技术与装备，正在实现产业化。 再看节能玻璃产业，低辐射玻璃在发达国家得到了大规模应用，德国、英国、美国等国家的普及率高达80%以上。目前中国低辐射玻璃使用率约为8%，成长空间巨大。 我国低辐射玻璃已经实现装备国产化，其中离线低辐射镀膜技术达到国际先进水平，在线低辐射镀膜技术的生产稳定性与国际先进水平还存在一定差距。截至2014年底，全国离线低辐射玻璃生产线共121条，年产能4.26亿m2；在线低辐射生产线11条，熔化能力6600t·d-1，折合年产能约5000万m2。 智能光控玻璃是国际上新型节能玻璃的重要发展方向之一，目前全球仅有美国、法国和德国等国家能够规模化生产。我国已研发出核心技术并完成工业性试验，产品质量性能达到国际水平，即将实现产业化。 现代玻璃材料发展趋势 随着现代玻璃材料应用范围越来越广泛，下游应用产业对其性能要求越来越高，现代玻璃材料向薄型化、超白高透化、大尺寸化、多功能化等方向发展。 随着移动电子消费产品便携化、轻量化发展，信息显示玻璃呈现薄型化趋势，目前TFT-LCD超薄玻璃基板厚度已由0.7mm降到0.3mm。柔性显示器和可穿戴智能电子产品的上市，将引领信息显示玻璃的柔性化发展，开拓现代玻璃材料更加广阔的应用空间。 另外，太阳能电池向轻量化、高强度、低成本方向发展，这就要求太阳能玻璃更轻、更薄，太阳能玻璃已由常规的3.2mm向2mm以下发展。 超白高透化是微铁高透过率玻璃的核心难题，提高微铁高透过率玻璃透光率有两种方法：（1）通过降低原料中含铁量及控制生产过程中机械铁渗入，实现超白化。目前通过该方法微铁高透过率玻璃透光率可达91.6%，接近其理论极限值92%，提升空间有限；（2）镀增透膜，镀100nm厚的增透膜（折射率为1.24），透光率可增加2%～3%，相应每1kW组件可以增加功率25～30W。 大尺寸基板玻璃切割利用率更高，单位成本更低，具有更好的规模经济效益。目前，世界知名厂商已生产出尺寸为2850mm×3250mm的10代TFT-LCD超薄玻璃基板。 随着市场对于建筑节能的要求逐渐提高，节能玻璃必将向着多功能化方向发展。低辐射玻璃在原有反射红外线功能的基础上，还需要具备阳光反射、自洁净、智能光控、保温、安全、隔音、防火等复合功能。智能光控玻璃通过颜色变化，调节可见光透射率，实现透明与不透明连续调节，精确调节建筑物、大型航空器、汽车、高铁的内部舒适度，实现智能化控制。 几十年来，现代玻璃材料一直是国际玻璃界的重点创新领域。我们认为只有运用科学方法对玻璃成形过程中的热力学、动力学、相变等进行全面研究，重点开展玻璃结构-性能关系、声学性能、光学性能、生物性能、表面技术、熔化技术等领域的攻关，才能快速推动现代玻璃材料的技术进步。 玻璃结构-性能关系研究。玻璃的性能都是由其微观结构直接决定的，美国于2011年6月推出了材料基因组计划（MGI），其目标是采用类似于基因排列组合的定量预测模型加速新材料开发和应用。在充分认识玻璃结构-性能关系的基础上建立的定量预测模型，可加速现代玻璃材料开发。 如普通玻璃开发方式是通过对网络形成体（SiO2、B2O3、P2O5等）、网络中间体（ZnO、Al2O3、PbO等）和网络变性体（Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、BaO等）等成分在不同条件下进行大量配比实验获得。定量预测模型可实现对各种成分与微观结构的精确预测，大幅减少实验次数，快速获得指定性能的现代玻璃材料。 这些基础研究工作意义重大，但是新模型和现代玻璃材料的开发，无论是在微观结构还是宏观性能方面，都必须经过实验验证。 玻璃的声学性能研究。在玻璃技术领域，目前少数国家开展了玻璃的声学性能相关研究。现代玻璃材料可能被设计成具有调控声波的定向、反射、折射等功能的材料，这样的“声缆”、“声纤”或许会成为类似光纤的全新传输介质。所以，玻璃的声学性能研究可能会带来现代玻璃材料技术与应用的突破性进展。 玻璃的光学性能研究。从灯泡、光纤到TFT-LCD超薄玻璃基板的发展，现代玻璃材料良好的光学性能在信息显示和通讯技术领域发挥了重要作用。 目前国内外研发团队都在积极开展光纤玻璃组分研究，旨在开发出具有高光学非线性特征且低损耗的现代玻璃材料。 玻璃表面技术研究。对于玻璃上任意一种通过镀膜获得的性能，能否通过玻璃的表面成分设计或其他物理化学方式实现所需的性能而无需镀膜？例如，如何设计出本征上疏水的氧化物玻璃表面；如何设计出既疏水又疏油的表面等。 玻璃生物性能研究。近期玻璃生物性能成为全球玻璃领域技术研究热点之一，研究发现当玻璃达到纳米尺度后，由于尺寸小，比表面积大，会表现出更好的生物活性和其他特殊性能。 这类研究可能会拓宽现代玻璃材料在医学、生物学领域中的应用空间。 玻璃熔化技术研究。虽然一些研究者认为现在的熔化和澄清技术已非常成熟，但我们认为从科学角度看，与熔化、澄清和均化相关的热力学和动力学方面还有很多问题需要研究。这类工程技术问题的最佳解决方法需要玻璃科学、物理化学、流体力学、机械、自动化等多学科复合集成。