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1、新型玻璃材料新型玻璃材料设计制制备技技术进展展目录1. 1. 概述概述概述概述2. 2. 传统传统玻璃与新型功能玻璃玻璃与新型功能玻璃玻璃与新型功能玻璃玻璃与新型功能玻璃3. 3. 材料材料材料材料设计设计方法方法方法方法 4. 4. 材料材料材料材料设计设计在玻璃材料在玻璃材料在玻璃材料在玻璃材料领领域域域域应应用用用用5.5.新型玻璃薄膜材料的新型玻璃薄膜材料的设计设计方法方法6.6.新型玻璃材料的需求、研新型玻璃材料的需求、研发趋势发趋势与与进进展展一、概述 玻璃薄膜玻璃薄膜是指 厚度几微米至几百微米的玻璃薄片。 一般由玻璃熔体从狭缝流出时按一定速度拉制而得。也可将玻璃板重新加热拉制或将
2、玻璃管重新加热吹薄，连续剖拉而成。保持玻璃原有的绝缘和耐热等特性，并具有可挠性。发展 随着汽车、航空、电子和太阳能行业的快速发展，对平板玻璃材料功能性的要求日益增加，增加平板玻璃功能性主要采用在玻璃基体表面附加薄膜的方法。因此，在与玻璃相关的薄膜材料设计、制备技术方面，在国际范围内形成了新一轮热潮。而伴随着量子力学、固体物理等学科在理论上不断完善，以及计算机技术的飞速发展，形成了具有新功能、高性能的玻璃薄膜材料研究和开发的技术手段，即可以按照所需要的宏观性能，从原子、分子层次设计出满足要求的材料设计方法。二、传统玻璃与新型功能玻璃新型功能玻璃 随着电子学、光电子学、光机电一体化、通信技术、能源
3、技术、航天航空技术、生物技术、生命科学等学科的迅速发展，对玻璃材料的性能提出了更高的要求。新功能和高性能玻璃材料的研究和开发，对推动材料的发展和社会科学的进步越来越重要。在21 世纪科技高速发展的今天，对新型玻璃，即与传统玻璃相比具有不同性质、功能和用途，或采用与传统玻璃不同的成分、原料和制备工艺而得到的玻璃材料及制品的要求越来越高，尤其是在信息技术、生命科学、新能源与再生能源、新材料、海洋科学、环境保护方面表现得尤为突出。三、材料设计方法 材料材料设计是指通过理论与计算预报新材料的组分、结构与性能，或者说，通过理论设计来“订做”具有特定性能的新材料。 这是人们长期追求的目标，目前并未完全实现
4、。尽管如此，由于凝聚态物理学、量子化学等相关基础学科的深入发展，以及计算机能力的空前提高，使得材料研制过程中理论和计算的作用越来越大，直至变得不可缺少。 材料设计可按研究对象的空间尺度不同而划分为3 个层次：微微观设计层次次，是涉及空间尺度约l nm 量级的原子、电子层次的设计；连续模型模型层次次，典型尺度在约1 m 量级，此时材料被看成连续介质而不考虑其中单个原子、分子的行为；工程工程设计层次次，尺度对应于宏观材料，涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。下图给出了材料研究中的理论方法、空间尺度及相互作用时间三者的对应关系材料设计的技术途径 材料设计方法主要是从第一性原理出发进行演绎计算或在
5、经验规律基础上进行归纳，或二者的交叉、组合。材料设计的技术途径可分为：1）建立材料知识库和数据库技术。 材料知识库和数据库就是以存取材料知识和性能数据为主要内容的数值数据库。2）材料设计专家系统 材料设计专家系统是指具有相当数量的与材料有关的各种背景知识，并能运用这些知识解决材料设计中有关问题的计算机程序系统。3）材料设计中的计算机仿真 采用计算机仿真模拟，通过设计好一系列的合成路线来获得目标材料，并能够了解这些材料的纳米和微观相结构，得出实验结果可以指导新材料研究，也是材料设计中有效方法之一。材料设计特点1）适用广泛2）经济实用3）实验完整4）目标明确5）提升效率下图给出的是材料设计软件的适
6、用对象、理论研究方法、可分析性质及一般技术流程材料设计的一般过程是1）明确要求和目的。即确定目的材料的各项性能指标，明确这些性能取决于哪些材料性质。2）选材。根据经验或数据库或专家系统，确定可能的备选材料及其复合材料。3）甄选。如果有备选项，则通过实验方法验证其是否满足要求，若是则整个过程结束，否则实验其他备选材料，若都不符合要求则设计新材料。4）建模计算。在选定相关材料后，选取可能的材料成分组合，建立不同的结构模型，5）制备、分析与验证。对计算得出的符合目标的新材料，确定制备工艺条件和参数，实验制备出实物样品，检测其性能是否确实满足要求。6）循环验证与补充完善。四、材料设计在玻璃材料领域应用
7、 目前，材料设计在玻璃功能材料研发中已经实现了广泛的应用。主要如下：1）深化并扩展对玻璃基本属性和规律的认识。2）玻璃成分、结构设计和性能预测。3）玻璃生产制造的工艺调整。4）玻璃功能膜材料设计和性能预测。1）深化并扩展对玻璃基本属性和规律的认识。 玻璃是大量原子、电子等微观粒子的集合。利用第一性原理计算和分子动力学等方法，利用能量等判据，从原子、电子等尺度解释说明玻璃的形成条件和规律，可以加深对玻璃材料的理解，从而为开拓新型玻璃功能材料提供坚实的基础。2）玻璃成分、结构设计和性能预测。 玻璃的性能主要取决于成分和微观结构。利用材料设计软件，通过改变成分、结构调整，可以控制其性能，获得满足要求
8、的材料。 J. de Bonfils 等人利用分子动力学方法计算了掺杂Eu3+的硼硅酸盐玻璃的结构，并预测了其荧光光谱。S. Suehara 等利用第一性原理分子轨道理论计算预测了典型玻璃形成体（B2O3、SiO2、P2O5 和TeO2）的折射率和三阶非线性光磁化系数。D. Foix 等利用第一性原理计算了具有离子电导的硫化物玻璃的结构特性。3）玻璃生产制造的工艺调整。 利用材料设计软件，可以施加或调整时间、温度、压力、电磁场等参数，判断其对材料成形、结构和性能的影响。从而为制定最佳材料生产（成形）条件和工艺提供理论指导，最终获得满足需求的玻璃产品。4）玻璃功能膜材料设计和性能预测。 在普通玻
9、璃原片上镀覆各种薄膜，以获得具有传递信息、节能、环保等功能的产品，已成为玻璃行业的发展趋势。 发达国家和地区已经立法限制了平板玻璃原片的直接应用，而必须使用镀膜玻璃。利用材料设计方法，可以开发出具有各种功能并适合于玻璃表面镀覆的新膜层材料，确定薄膜性能随各元素含量和结构的变化趋势，研究膜层材料与基体玻璃的结合状态和应力分布及其受温度、压力等条件的影响，确定最佳成膜工艺条件。 利用自然能源发电也是人们最渴望的获得能源方式之一。过去只能局限在晶体材料中实现太阳电池的光电转换，随着薄膜材料不断开发使透光玻璃上附载太阳电池发电功能的愿望已经实现。科学家已经在窗玻璃表面涂敷光电薄膜材料，在保证透光性同时
10、，实现了发电的功能。五、新型玻璃薄膜材料的设计方法 研究和开发新型材料方法主要有两个，即传统的试错方法试错方法和建立在经验和理论基础上的理论计算方法理论计算方法。这两种方法各有所长，相辅相成，相互结合，促成了新材料的不断创新和新产品的不断诞生。然而，采用这两种方法，从新材料研发到市场应用时间跨度非常长，某种新材料从最初的研究开发，经性能优化、系统设计与集成、验证、制造到 首次投入市场通常需要1020 年时间。在更加注重资源与效率的今天，传统的实验研究盲目性的缺点日渐突出，过多的实验研究会造成成本上升和自然资源、社会资源的极大浪费。与之相对应的，随着理论上的不断突破以及计算机技术的飞速发展，人们
11、可以根据所需要的材料结构和性能，设计出满足要求的材料，即材料设计（材料设计（materials designmaterials design）方法。）方法。3 新型玻璃薄膜材料的制备技术、需求与进展新型玻璃功能薄膜材料的制备技术： 新型玻璃薄膜材料因其明确的功能性要求，一般是由带有半导体性质的金属氧化物材料构成，也有一些特定结构的单质如无机碳材料、有机复合材料可以制备成玻璃薄膜；同时，由于其功能性特点，薄膜已经被用于固体的结构与其物理性能之间相互关系的研究。传统的镀膜技术分为干式镀膜干式镀膜与湿式镀膜湿式镀膜两大类。 干式镀膜是在真空条件下，运用物理或化学的方式，将材料气化成原子、分子或使其电
12、离成离子，通过气相输运过程，在玻璃表面沉积成特定厚度的、具有特殊功能的薄膜，即所谓气相沉积技术，如物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。 湿式镀膜是将玻璃置于掺有特定元素的电解质溶液中，通过化学、电化学方法，使液体均匀铺展在玻璃表面通过物理方法将其固化，使其成为玻璃表面的镀层，如溶胶凝胶法（SolgelMethod）制备多种玻璃薄膜和化学镀银镜法。传统的镀膜方式1）在传统方法上又施加以电场、磁场等，形成PVD 或CVD 镀膜过程中的原子、分子或离子定向调制运动，提升了沉积薄膜的质量和效率，使镀膜过程可控性变得更加可靠，膜层厚度控制得更加精确。2）多室复合薄膜制备技术，如在浮法玻璃生产
13、线锡槽内成形后的玻璃表面上，可在线设置多个CVD 镀膜器，在玻璃基体刚刚完成成形尚处于高温状态、未受到污染的条件下，镀覆上与基体结合牢固的过渡层，再附加上需要的多种功能层薄膜和保护膜层，就实现了多层在线镀膜的目标。3）而将传统的磁控溅射技术设计成连通的多室复合薄膜制备技术，也可以将玻璃基体在完成清洗预处理后，送入真空室，分别在设有不同靶材的溅射室进行镀膜，按照需要分别镀制过渡层、功能层、保护层等，将易氧化、难以单独使用但功能性很强的金属薄膜夹在保护层中，实现性能优异的玻璃功能薄膜制备。新型镀膜技术六、新型玻璃材料的需求、研发趋势与进展 玻璃材料是人们日常生活必不可少的功能性材料之一，社会经济发
14、展进步，带动了新型玻璃材料的需求；社会资源特别是能源的紧缺，又促进了对玻璃功能薄膜材料的快速研发。新型玻璃材料的需求突出表现在降低消耗、节省能源、能源利用和提升安全性能等方面。为此，在建筑领域建筑领域、电子显示电子显示器件领域、太阳能电池制造、车船和航空运载器件领域、太阳能电池制造、车船和航空运载等相关领域开展的玻璃薄膜研发项目层出不穷。1）建筑材料领域。 为了保证建筑物整体的绝热保温要求，作为建筑物散热严重的窗口玻璃材料，在整体建筑绝热性能性能要求提升的同时，玻璃绝热、反射性能有更大的提升需求，低碳门窗成为发展趋势，玻璃科学工作者努力研发具有更低的热辐射系数的节能功能薄膜玻璃及其组件。2）在
15、电子器件领域。 带有透光导电功能薄膜玻璃，无论是用于手机屏幕还是用于LED 大屏幕显示器件中，皆已经成为主流产品。因此，对TCO 玻璃，一方面在玻璃基片本体需要做更多的研发，如强度大于常规钠钙硅玻璃和表面质量稳定的超薄玻璃生产技术， 另一方面在透明导电薄膜制备工艺中，需要在现有基础上，通过材料设计手段，找出更低的面电阻或更高的导电率材料，提升光电响应速度来满足电光转换效率及色彩的表达性能，同时需要更低的能耗。3）太阳能电池制造领域。 为了提升单晶硅、多晶硅和非晶硅电池的转换效率，在玻璃表面构造量子点及非线性光学材料来提升硅材料的光电转换效率。 构造新型薄膜类太阳能电池材料，直接与玻璃表面结合后
16、既透光又发电，“把窗户变成一台发电机”是人们一直的梦想。这种薄膜太阳能电池可以贴附在玻璃上，也可以在制造过程中直接加到玻璃窗或其他建筑材料上，即使大面积铺设，也比传统太阳能装置的投资要节省许多。目前，小块的电池片材料已经成型，研发的下一个目标是系统化完善该技术，让电池效率达到20% 。4）车、船和航空运载领域 为了高效利用燃料和节省能源，国际著名公司致力于开发降低自重并能提升强度的各类材料。作为不可缺少的窗口材料，在保证高透过的前提下，玻璃材料的高强度、电磁屏蔽与电磁兼容性能、抵抗紫外和红外辐射性能等都是研发目标。特别是玻璃材料的轻量化与高强度，依靠传统制备方法仅能降低厚度，但未有效消除玻璃表
17、面微裂纹状态下，还会产生服役期的性能衰减变化。因此，在高强度玻璃配方完善的基础上，结合功能性要求对玻璃表面修饰与强化的研究也将是研究的重要方向。结语 总之，材料设计作为现代技术手段，已经为玻璃功能材料的科学研究与技术创新发挥了重要作用，在未来提升企业生产效率、创造更高的经济效益方面也必将大放异彩。参考文献【1】刘世民.新型玻璃薄膜材料设计、制备技术进展.燕山大学学报，2012.11.6【2】江泓. 计算机存储系统的研究现状和发展趋势J. 光学与光电技术, 2012,10 (1): 8-12.【3】胡双林. 高性能计算在材料科学中的应用J. 科学, 2011,63 (4): 19-22.【4】郭建东, 沈电洪. 表面物理与表面物理国家重点实验室J.现代物理知识, 2012,24 (1): 32-34.【5】刘英涛, 王鑫. 计算机模拟概述J. 科技资讯, 2011 (34): 19.Thank you!谢谢！
