盘点玻璃最新的黑科技,智能玻璃防火玻璃稀土玻璃

 海未深     

俄罗斯新技术可将玻璃变成智能表面,并用于制造AR屏幕


俄罗斯圣彼得堡国家信息技术、机械学与光学研究型大学(圣光机大学)的研究人员开发了一种可以将普通玻璃变成智能表面的表面。据介绍,这项技术可以传输大约一半的人眼可感光,并将反射率降低到4%,并可用于制造AR屏幕,为用户提供周遭对象的附加信息。另外,新型表面同时可以将太阳能转化为电能。所述研究已发表到《激光与光子学评论(Laser&Photonics Reviews)》期刊。


研究人员的创新解决方案是一种基于卤化物钙钛矿的薄膜,而卤化物钙钛矿是一种具有非凡光学和电子性能的半导体材料。所述薄膜生产成本低,可用于制造LED和太阳能电池,而且效率系数超过传统技术。


圣光机大学物理与工程学院的研究员谢尔盖·马卡罗夫(Sergey Makarov)解释道:“钙钛矿薄膜已成功应用于LED生产。我们希望它的能够制造可用于AR屏幕的表面。它们必须足够透明,以便用户能够舒适地透过它们感知世界。同时,它们必须发射光以在屏幕显示必要的信息。”


最初,钙钛矿薄膜的反射系数为30%,这意味着它们不能传输入射光的三分之一左右。圣光电大学物理与工程学院的研究人员与俄罗斯科学院圣彼得堡国立研究学术大学(St。Petersburg National Research Academic University of the Russian Academy of Sciences)合作开发了一种能够尽可能多地传输光,几乎不反射任何光的表面。


为了降低反射系数,研究人员对薄膜进行改性,并使其成为一个超表面。团队从薄膜去除了一层钙钛矿,在其上蚀刻出一种特定图案的纳米颗粒。这样,表面与光的交互就会改变。所述图案是用离子纳米光刻技术以纳米精度创建。


圣光机大学物理与工程学院的博士生塔蒂安娜·利亚申(Tatiana Liashenko)指出:“当我们的同事应用这种方法来制造纳米结构时,他们注意到超表面的暴露区域会变黑和烧焦。尽管有大量的材料能够留存,但在紫外线的激发下,它并不发光。为了解决这个问题,我们将醇盐溶液蒸汽应用于钙钛矿表面,这使得我们能够快速恢复材料的性能。例如,我们通过这种方法增加了它的发光强度,并降低了它的反射系数。”


通过这种方式,研究人员能够确定钙钛矿纳米颗粒在太阳光谱范围内与光交互的几何参数。


团队总结道:“因此,大部分能量都是沿着光的方向运动。其余部分会被钙钛矿吸收并转化为光致发光。结果,我们得到了一个高度透明的且具有活性的抗反射超表面。我们现在正计划将我们的解决方案应用到光电设备中。”


手机跌落不碎屏新材料可吸收冲击能量达96%


近日,蒙特利尔工程学院的一个科研团队在《细胞报告物理科学》杂志上发表了一项新的研究成果,称他们利用增材制造的方式,发明了一种新型复合材料。该材料可吸收高达96%的冲击能量,且材料不会破碎。这种材料的出现使生产更加耐用的智能手机保护屏成为可能。


研究人员表示,该材料的设计灵感来源于蜘蛛网和其惊人的特性。弗里德里克·高斯林教授称,蜘蛛网可以在其丝蛋白内部的分子层面,通过牺牲性连接进行变形,因此可以抵抗昆虫撞击时产生的冲击力,而正是这一特性启发了他们。


该研究意在展示如何将塑料织带与玻璃面板相结合,从而避免面板在受到撞击时破碎。聚碳酸酯加热后,会变得像蜂蜜一样黏稠。利用该属性,高斯林教授的团队使用3D打印机来“编织”一系列厚度小于2毫米的纤维,然后在整个网络凝固之前,快速垂直打印一系列新的纤维。


当3D打印机将打印材料缓慢挤出形成纤维时,熔化的塑料会形成圆形,最后形成一系列环。“一旦硬化,这些环就会变成牺牲性连接,从而赋予纤维更大的强度。当碰撞发生时,这些牺牲性连接会吸收冲击能量并断裂,以维持纤维的整体完整性,与丝蛋白类似。”高斯林教授解释说。


研究的主要作者邹世波(音译)将一系列纤维网嵌入透明树脂板,然后进行了冲击试验。结果,这种晶片可分散多达96%的冲击能量而不会破裂,只是在某些地方变形,从而保持了晶片的整体完整性。

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其实,早在2015年发表的一篇文章中,高斯林教授的团队就展示了制造这些纤维的原理。此次发表的文章则揭示了当这些纤维缠结成网时如何表现其性状。


高斯林教授认为,除智能手机屏幕,该材料还可用于制造新型防弹玻璃、飞机发动机的保护涂层等。


德国科学家开发出更环保的防火玻璃生产过程产生更少废弃物


虽然防火窗已经存在,但它们含有一种致癌凝胶,而且其生产会产生大量废物。然而,一种以同样的基本方式工作的新技术据称更安全,浪费更少。通常情况下,这种窗户由两块玻璃组成,中间夹着一层透明的丙烯酰胺基水凝胶。


一旦面对火焰的窗格被加热到破碎的程度,凝胶就会暴露在火焰中。当凝胶中的水继续沸腾时,底层窗格的温度就会通过蒸发冷却效应而降低。此外,凝胶在第二层玻璃上形成一层厚厚的隔热盐,进一步保护了它。


德国弗劳恩霍夫环境、安全和能源技术研究所的科学家们为了寻求一种更无害的替代品来替代有毒的丙烯酰胺水凝胶,他们用多种物质进行了实验。在经过大约60次失败的尝试后,他们终于发现一种未公开的“基本成分”符合要求。


它没有致癌性,也没有其他危险性,但它仍能让窗户在暴露于超过1000 oC的温度下保持完好,时间长达2小时。此外,在一条正在生产这种玻璃制成的室内防火门的生产线上,每天仅产生20千克的废弃物。相比之下,根据弗劳恩霍夫的数据,传统防火窗的生产每天会产生150至160千克的废弃物。

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目前,法兰克福环球大厦的改造和大塔的建设都采用了这种玻璃。


包头研究院研发断热稀土玻璃涂层可节能25%~40%


近日,包头稀土研究院的EASTO.1098断热稀土玻璃涂层被认定为2020年内蒙古自治区级首批次新材料。


“我们的材料之所以新,是因为在功能性方面,它可以直接涂在玻璃表面,能够在3小时内快速降温,可调节温度7—15度,节能25%—40%。”包头稀土研究院天津分院尹健博士说道。


据悉,涂层是稀土研究院与成都易涂捷威科技有限公司通过对三元稀土共掺杂硼化物材料的制备研究与性能筛选,制备出稳定、高性能的稀土纳米复合断热涂料产品。


“我们开发成功了十余种稀土纳米断热浆料产业化制备技术,目前,该技术国内发表论文2篇,申请3项国内发明专利,1项外观设计专利。”包头稀土研究院高级工程师鲁飞说,涂层在断热效果、便捷度及稳定性等方面均优于目前市场上的玻璃贴膜、low-E玻璃及中空玻璃等同类产品。

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优化玻璃隔热性能势在必行


在《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》中提出到2020年,我国城镇新建建筑能效将提高20%,绿色建筑面积比重超过50%,而建筑能耗的40%消耗在玻璃门窗上,所以提高玻璃的隔热性能尤为关键。


众所周知,地球表面的热能主要来源于日照,太阳光的光谱主要集中于200-2500nm范围内,其中:200-400nm范围内为紫外线,其能量占太阳光总能量的约5%,400-720nm范围内为可见光,其能量占太阳光总能量的约45%,而720-2500nm范围内均为红外线,其能量占太阳光总能量的一半。


红外线是人眼不可见的,因此,若在不影响可见光透过的条件下,如何将红外线有效阻隔,提高玻璃的隔热性能,是国内外技术研发的重难点之一。目前,高质量、高通透率的隔热涂膜的研发主要集中在美日等发达国家。“虽然现有技术中对于太阳光的阻隔有多种方法,但各自都存在诸多问题。”鲁飞说道。


鲁飞拿目前较为常用的建筑隔热玻璃是低热辐射玻璃(Low-E)为例给记者讲解了它的不足之处。这类玻璃是通过在普通玻璃表面镀层来实现隔热效果的。然而,这类玻璃在建筑外墙被大量使用后,虽然对建筑本身起到了良好的保温和隔热性能,但是会大量反射太阳光,并造成大量的光污染问题。

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人们长时间在光污染环境下工作,会导致视力下降,产生头晕目眩、失眠、心悸、食欲下降及情绪低落等症状,严重影响人们的身体和心理健康。另外,Low-E玻璃无法通过后期涂刷等方式使玻璃表面获得隔热能力,此外,由于金属层的氧化,其表面层寿命远低于玻璃本身的寿命,这导致了Low-E玻璃无法作为用于存量建筑玻璃的升级改造。


此外,着色玻璃在吸热的同时也会吸收可见光,在实现隔热效果的同时会大幅牺牲可见光透过率,并呈现明显的颜色,这大大限制了其在如汽车前挡玻璃等需要高可见光透过场景的应用。


“目前商业化应用较为广泛的红外吸收材料——铯钨青铜材料,具有很好的红外吸收效果,然而其在紫外线照射下会出现光致变色现象,且在加热条件下,会与水和氧气发生不可逆的氧化反应,生成三氧化钨,并丧失其红外吸收性能。”尹健说。


一种全新断热涂层问世


从以上分析可知,传统Low-E玻璃和玻璃产品的隔热原理是通过在普通玻璃表面镀层来实现隔热效果,镀膜后,Low-E玻璃可以对波长2500nm以上远红外线起到良好的反射作用,但也会造成污染。能吸收光子也许是更好的选择。


“我们也是受局域表面等离子体共振(LSPR)现象的启发,因为具有一定长径比的金纳米带,其表面电子可以与一定频率的入射光子发生共振,并强烈地吸收入射光子,再通过对材料粒径和形貌的调控,可以实现对红外光子的选择性吸收,就可以做成红外线吸收材料。”鲁飞说。


鲁飞介绍,他们做的涂层以稀土化合物为基础,一方面,由于硼原子具有很强的电负性,其可以与稀土元素形成较强的作用力,使得形成的稀土纳米断热材料具有良好的耐酸碱性;另一方面,在形成的稀土纳米硼化物材料中,稀土元素自身的外层电子提供了大量自由电子,当入射光的光子激发时,自由电子与入射光子发生共振,从而在宏观上表现为吸热能力。


此外,通过对稀土元素种类以及掺杂量的调控,可以进一步控制入射光子发生共振的波长范围。利用这种方法,研发团队成功开发出了具有良好耐候性的高性能稀土纳米复合断热材料,很好解决了现有材料环境稳定性不足与无法对红外线进行光谱吸收的卡脖子问题。


“我们开发的涂层,红、紫外线阻隔大于90%,可见光透过率大于等于70%,断热效果、便捷度及稳定性等方面均优于玻璃贴膜、Low-E玻璃及中空玻璃等同类产品。”,温永清说,他们还做了好几个实验,以LOW-E中空玻璃和断热稀土夹胶玻璃效果对比为例,在同等条件下,将双银LOW-E中空玻璃和断热稀土夹胶玻璃分别放在红外灯前,双银LOW-E中空玻璃红外线热值为3417,双银LOW-E中空玻璃紫外线值为4857,阻隔率为50%,断热稀土夹胶玻璃红外线热值为320,断热稀土夹胶玻璃紫外线值为19.4,阻隔率高达99.8%。


由此可知,即使是目前市面上性能优良的双银LOW-E中空玻璃,隔热、防晒和节能性也落后于使用了断热稀土技术的单层RE夹胶玻璃。


涂层应用助力我国绿色化发展


2019年11月,稀土研究院与易涂捷威科技建立断热稀土联合实验室,联合推进新型稀土纳米断热涂层的产业化进程,新型稀土纳米断热材料及涂层产业制备技术已突破。


“目前,我们已建成了国内首条月产800公斤稀土纳米断热浆料中试生产示范线,可节能25%—40%。”易涂捷威科技总经理杨崛说道,开发的涂层指标与国外产品相当,甚至优于国外产品,在技术层面实现了“弯道超车”,填补了国内断热玻璃涂层材料的空白,同时完全可替代进口产品。


众所周知,太阳热能主要通过红外线辐射存在,并拥有高温向低温传递的特性。


因此,夏天室外高温会涌向室内,致使空调负荷增加,且红/紫外线能使人体皮肤产生灼热感;涂层可与200-400nm和700-2500nm范围内的光波发生等离子体共振效应,辐射热能无法穿透涂层,就能达到良好的隔热、防晒性能,同时,因阻断了辐射热能,室内温度无法快速持续升温,便减少了空调负荷,大大节约了空调费用,也达到了节能的目的。


而在冬季,室内热源发热的本质依然是红外光,是粒子内部振动向外传播电磁波,所以,发热电磁波根本无法有效穿透断热稀土涂层(等离子体共振),热源被大量的留在了室内,暖气升温更快,锁能、保温性就会更好,超级节能。

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建筑能耗问题,在中国显得尤其严峻。我国建筑面积总量巨大,90%以上采用的是普通玻璃。按照2010年我国节能目标计算,平均每年新增断热玻璃约13.2亿平方米,稀土纳米断热材料的市场需求量巨大。


“产品上市后,可广泛运用于节能环保型汽车和节能型建筑玻璃上,能有效解决汽车和建筑内部温度高、空调能耗大等问题,产值亿元以上,同时,为我国节能环保事业做出巨大贡献。”杨崛说,目前已建立了11家分公司,与全国10余个省份80多个城市签订了产品代理协议,今年预计可实现销售近3000万元。


来源:中玻网

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