輕薄化、多功能化、集成化、智能化是深加工發(fā)展趨勢

【中玻網(wǎng)】1、前言
　　
　　玻璃深加工有悠久的歷史，公元前7世紀(jì)，美索不達(dá)米亞有了磨刻玻璃，公元前340￣33年埃及出現(xiàn)了夾金玻璃，為現(xiàn)代夾層玻璃的始祖；公元12世紀(jì)末到13世紀(jì)初，歐洲出現(xiàn)了涂金屬鏡子，是較早的鍍膜玻璃;公元15￣16世紀(jì)，威尼斯人采用了施釉、鍍金、刻花等深加工方法；到了工業(yè)革命以后各種玻璃深加工方法更得到普遍應(yīng)用⑴。
　　
　　玻璃的深加工率和品種是衡量一個國家玻璃發(fā)展水平指標(biāo)之一。以平板玻璃為例，二十多年來我國平板玻璃產(chǎn)量一直居世界靠前，但深加工率僅有35％，十二？五末期計劃達(dá)到45％，而發(fā)達(dá)國為80％以上；發(fā)達(dá)國家深加工品種有200多種，我國僅為發(fā)達(dá)國家的1／10；發(fā)達(dá)國家深加工玻璃增值率為1：5，我國僅為1：3，由此可見我國與發(fā)達(dá)國家玻璃深加工仍有很大差距？，處于玻璃產(chǎn)業(yè)鏈低端，是玻璃大國而不是玻璃強國。為此必須以研發(fā)和創(chuàng)新為戰(zhàn)略思想發(fā)展我國的玻璃深加工產(chǎn)業(yè)，本文就深加工的內(nèi)涵和外延，深加工的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。
　　
　　2、玻璃深加工的內(nèi)涵及其外延
　　
　　玻璃深加工是以玻璃為基片或基述通過機械加工、熱加工、化學(xué)處理改變其表面形貌、表面結(jié)構(gòu)、表面成分和應(yīng)力狀態(tài)及其它性能獲得要求物性與功能，擴展其用途。玻璃深加工有顯著的特點，如玻璃通過深加工能獲得基片或基迷所不具有的功能，如鍍ＴｂＦｅＣｏ磁光薄膜的信息記錄盤，貼光柵膜產(chǎn)生虹彩效果。同一玻璃經(jīng)不同方法深加工有不同效果；如鍍抗反射膜成為防眩玻璃，鍵反射膜起遮陽作用，貼變色膜能在不同光強或不同電場下改變顏色。深加工的原料、能源消耗少，污染低，節(jié)能環(huán)保；如整體著色的有色玻璃，所需著色劑多，需髙溫溶化，揮發(fā)后還污染環(huán)境，而采用鍍著色膜、貼裝飾膜和擴散著色則可減少這些問題。深加工雖然方法繁多，加工原理各異，但歸納為：
　　
　　⑴納米微粒沉積沉積物以原子、離子和粒子團(tuán)簇形態(tài)在玻璃表面形成納米（ｕｒｎ）薄膜，如物理氣相沉積（ＰＶＤ）和化學(xué)氣相沉積（ＣＶＤ）薄膜。
　　
　�。�2）介觀或微觀粒子沉積沉積物以介觀（ｍｍ級）或微觀級）尺寸顆粒形態(tài)在玻璃表面形成覆蓋層，如熱噴涂著色、施釉、描金。
　　
　　（3）整體覆蓋將覆蓋材料同一時間施加在玻璃表面上，如貼鐵甲防暴膜、夾金膜。
　　
　�、缺砻嫘蚊�、表面成分、表面結(jié)構(gòu)的改性如化學(xué)鋼化（離子交換）、蒙砂、磨砂、防霉涂層，但玻璃深加工效果也有一定局限性，如表面擴散著色很容易得到黃、棕、紅色，很難得到藍(lán)綠等多種顏色，色澤也不及整體著色鮮艷；有些表面膜和涂層不耐磨，易受侵蝕，常發(fā)生剝離和脫落現(xiàn)象；表面處理的高層度還受到一定的限制，如離子交換高層度從十幾微米到幾百微米，離子注人高層度只有幾百納米到一千多納米。如這些層磨損后，深加工效果受到影響。今后深加工要著重發(fā)揚其特色，并通過新技術(shù)、新工藝來減少和克服負(fù)面影響。
　　
　　3、現(xiàn)代表面科學(xué)理論和先進(jìn)制造技術(shù)正改變深加工現(xiàn)狀
　　
　　現(xiàn)代的玻璃表面結(jié)構(gòu)、表面和界面效應(yīng)、表面物理化學(xué)理論以及表面測試手段，推動了玻璃深加工由復(fù)制仿造向立意創(chuàng)新方向發(fā)展。隨著計算機容量和速度的提髙，分子動力學(xué)（ＭＤ）模擬已由表面結(jié)構(gòu)、界面結(jié)構(gòu)及其遷移率、偏析亂微裂紋結(jié)構(gòu)、表面擴散和薄膜生長方面發(fā)展至原子尺度斷裂方面，從原子層社探討玻璃斷裂的本質(zhì)，從而為玻璃增強深加工開辟新途徑。
　　
　　分形論（ｆｒａｃｔａｌｔｈｅｏｒｙ）可用于斷裂表面的模擬、斷裂表面的分維和表面膜的生長以及高能量脈沖電子束對玻璃表面的作用方面；而逾滲（ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ）理論對玻璃表面微區(qū)塑性性質(zhì)、擴散、斷裂力學(xué)和多孔介質(zhì)性能，可進(jìn)行模擬預(yù)測，這些理論均為現(xiàn)代表面深加工技術(shù)奠定了理論基礎(chǔ)。先進(jìn)材料和髙新技術(shù)的發(fā)展與玻璃深加工技術(shù)起互相麵作用。通過玻璃深加工，提供一批織材料和核心材料，如用鍍膜技術(shù)在玻璃表面制備了各類型光學(xué)薄膜（增透膜、反射膜、分光膜、選擇性濾光膜、陽光控制膜、低輻射膜、防激光膜）、微電子元件膜（導(dǎo)電膜、傳感器膜、超導(dǎo)膜、集成電路基片膜）、集成光學(xué)膜洸波導(dǎo)膜、光開關(guān)膜、光調(diào)制膜、光偏轉(zhuǎn)膜）、光子學(xué)膜（平面波導(dǎo)膜、激光減反射膜、難反射膜）、信息存儲膜（磁記錄膜、光盤存儲膜）、防護(hù)功能膜（防紫外線、防紅外膜、防微波膜、防電磁輻射膜、防霧膜、高度度膜、髙硬度膜）、裝飾膜（虹彩膜、仿金膜）、光催化膜、平衡菌落殺菌膜、智能膜洸敏變色、熱敏變色、電場變色等）、太陽能電池膜等
　　
　　從先進(jìn)材料所要求玻璃新的性質(zhì)和功能又促使進(jìn)一步開發(fā)了新的深加工技術(shù)，以滿足先進(jìn)材料的要求，如2015年計劃發(fā)射到太空的記錄光盤，就是以石英玻璃為基片，通過光譜燒孔方法存儲信息，容量為1．5ＧＢ，不僅能存儲文字和照片，也可記錄視頻，特點是能適合目前市場空間惡劣條件，加熱到1000度保溫2ｈ情況下數(shù)據(jù)仍不會丟失，此玻璃光盤保存時間可達(dá)1億年，提供了充足時間以發(fā)送到其它星球。智能手機的發(fā)展要求高度度，抗磨損，高熱穩(wěn)定性能的玻璃手機蓋板（ｃｏｖｅｒ），于是Ｃｏｒｉｎｇ公司在2014年底推出Ｇｏｒｉｌｌａ4玻璃，采用雙階段離子交換法對鋁硅酸鹽玻璃進(jìn)行化學(xué)鋼化，達(dá)到從1ｍ高度掉到地上，10次不碎裂，而同樣操作條件下，普通鈉鈣玻璃100％碎裂。
　　
　　高新技術(shù)為玻璃深加工提供了新的發(fā)展平臺，以玻璃表面研磨拋光為例，自浮法玻璃大量生產(chǎn)后，其優(yōu)越的表面質(zhì)量取代了傳統(tǒng)的研磨拋光生產(chǎn)線，但現(xiàn)代的離子束拋光、等離子體輔助拋光、磁流變拋光等高新術(shù)提供的超準(zhǔn)確、超光滑的表面，使拋光技術(shù)產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。如用能量4￣50ＫｅＶ的Ａｒ＋或Ｘｅ＋為離子源的離子束拋光工藝，拋光后玻璃表面形狀的精度為0．1ｐｍ，表面粗糙度僅為0．01ｐｍ。美國Ｋｏｄａｋ公司已制成2．5ｍ離子束拋光系統(tǒng)，加工玻璃直徑0.5ｍ，平均粗糖度0．5ｎｍ。等離子體拋光是用等離子體促進(jìn)拋光氣體郵4等）與玻璃表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成易揮發(fā)的混合氣體（ＳｉＦｊ，從而將玻璃表面粗糧層去除，達(dá)到拋光效果，平均粗糖度為0．5ｎｍ。磁流變拋光是由計算機控制的小磨頭，但此磨頭不是傳統(tǒng)意義上機械磨頭，而是由磁流變拋光液在磁場作用下形成的“柔性”磨頭，其形狀和硬度可由磁場控制，玻璃拋光后得到表面粗糖度小于1ｎｍ的超光滑表面，特別適用非球面光學(xué)鏡頭。
　　
　　雖然激光切割、激光雕刻、激光內(nèi)雕在玻璃深加工中早已常見，但飛秒激光出現(xiàn)，使激光深加工進(jìn)入飛秒時代。以激光內(nèi)雕為例，采用飛秒激光誘導(dǎo)玻璃表面形成色心，不僅可以實現(xiàn)玻璃中三維光存儲，而且能將飛雜光誘導(dǎo)色心，寫人的圖像在紫外光照射后，發(fā)出綠色的光。在摻雜Ａｕ＋的玻璃通過飛秒激光照射，再經(jīng)熱處理，由于Ａｕ＋－ＡＵ°價態(tài)的變化，使玻璃中內(nèi)雕不僅是白色而且可呈紫紅色。在全部展覽會上展出，相關(guān)人士均認(rèn)為此玻璃內(nèi)雕已超捷克水平。
　　
　　傳統(tǒng)的玻璃鍍膜方法大都為真空氣相沉積，磁控濺射，化學(xué)氣相沉積和溶膠－凝膠法，存在鍍膜速度慢、膜厚不均勻、膜層易脫落等缺點。上世紀(jì)末，逐步開發(fā)等離子輔助物理氣相沉積（ＰＡＰＶＤ）、等離子體化學(xué)氣相沉積（ＰＡＣＶＤ），ＰＡＣＶＤ又包括了直流等離子體化學(xué)氣相沉積（Ｉ＞ＰＣＶＤ）、交流等離子體化學(xué)氣相沉積（ＡＣＰＣＶＤ）、射頻等離子體化學(xué)氣相沉積（ＲＦＰＶＣＤ）、微波等離子體化學(xué)氣相沉積（ＭＰＶＡＤ）等。以ＰＡＰＣＤ為例，具有反應(yīng)溫度低（小于550￥）、鍍膜速度快、膜層致密、附著性好等優(yōu)點，已用鍍ＩＴＯ膜作液晶顯示器、鍍ＴｉＮ膜作仿金裝飾膜。利用激光束輔助化學(xué)氣相沉積（ＬＡＣＶＤ）法在玻璃表面鍍類金鋼石（ＤＩＣ）膜，制成高硬度手表蒙、光學(xué)窗口材料和場發(fā)射表面顯示器（ＦＥＤ）等。本世紀(jì)初筆者用強流脈沖離子束（ＨＩＰＩＢ）方法在玻璃表面鍍ＩＴＯ膜，二次等離子的密度約為Ｋ＾ａｔｏｍｓ／ｃｍ2，—次脈沖即可制成65ｎｍ的膜厚，鍍膜速度比一般設(shè)備快很多。
　　
　　古典的深加工技術(shù)也得到繼承和發(fā)揚，明清以來，我國高官和富商的宅第以彩色套料刻花玻璃作窗，稱為“滿洲玻璃”，某鎮(zhèn)現(xiàn)存64塊玻璃，有一兩黃金一塊玻璃之說。2013年筆者采用透明料套色料成形后經(jīng)熱攤平再刻花再現(xiàn)了古代滿洲玻璃，達(dá)到古建筑修舊如舊的效果＇
　　
　　4、輕薄化、多功能化、集成化、智能化是深加工發(fā)展趨勢
　　
　　根據(jù)科學(xué)發(fā)展觀的要求，玻璃深加工今后要按工業(yè)化與信息化相結(jié)合，集成創(chuàng)新，綠色環(huán)保走輕薄化、多功能化、集成化、智能化的道路。
　　
　　4．1輕薄化
　　
　　輕薄化可節(jié)約資源消耗、降低環(huán)境污染。減少運輸成本，因此深加工盡量采用輕薄化的玻璃原片和坯體。以平板玻璃為例，按我國產(chǎn)量3550萬噸計算，如厚度減薄20％，可減少玻璃用量710萬噸，降低能耗213萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減排Ｃ02570萬噸，減少運輸車輛74萬輛次（按20噸載重量計算）［11］。以手機為例，較初的ｉ－Ｐｈｏｎｅ厚度11．6ｍｍ，重量137ｇ，而ｉ－Ｐｈｏｎｅ5厚度減至7．6ｍｍ，重112ｇ，ｉ－Ｐｈｏｎｅ6厚度更降至6．9ｍｍ〇手機厚度的降低必須要將玻璃基片和蓋板的厚度減薄，玻璃厚度已由過去1．3ｍｍ降到．目前0．3ｍｍ。旭硝子在2014年制成可彎曲的0．05ｍｍ厚度的ＳＰＯＯＬ玻璃，能卷成圓卷，能以卷對卷（ＲｏｌｅｔｏＲｏｌｅ）方式制造顯示器。Ｓｃｈｏｔｔ也在2014年在全部觸摸屏展會上展出僅有25卿￣100叫的超薄蓋板玻璃。玻璃雖然輕薄化，但強度和硬度不能降低，脆性不能增加，因此促進(jìn)了化學(xué)鋼化技術(shù)和發(fā)展。Ｃｏｒｉｎｇ公司研制了鋁硅酸鹽成分的Ｇｏｒｉｌｌａ系列手機面板玻璃，一般平板玻璃抗彎曲強度為89ＭＰａ，經(jīng)化學(xué)鋼化后Ｇｏｒｉｌｌａ抗彎曲強度提高到265ＭＰａ〇化學(xué)鋼化前脆性值為6．174，化學(xué)鋼化后脆性值降到2．755，斷裂韌性也由鋼化前1．0511ＭＰａｍ1Ｑ提髙到化學(xué)鋼化后2．1744ＭＰａｍ1／2〇Ｃｏｒｉｎｇ公司將Ｇｏｒｉｌｌａ玻璃不斷升級換代，Ｇｏｒｉｌｌａｌ化學(xué)鋼化后壓應(yīng)力3＝800ＭＰ＋Ｇｏｒｍａ3＞900ＭＰａ；Ｇｏｒｉｌｌａｌ應(yīng)力層高層度彡40ｕｍ，Ｇｏｒｉ］ｌａ3衾50ｊｉｍ，做到完全可以彎曲。Ｇｏｉｍａ3的抗磨損能力比Ｇｏｒｉｌｌａ2提髙3倍，可見劃痕減少40％［121〇除離子交換增強外，還可通過離子注人增加玻璃強度和硬度，蘋果公司用能量ｌ〇ＫＶ￣100ＫＶ，劑量1013￣1019ｉ〇ｎｓ／ｃｍ2的Ａｒ、Ｎ、Ｔｉ等離子對手機藍(lán)寶石、玻璃面板進(jìn)行增強和增硬，達(dá)到較好效果。
　　
　　4．2多功能化
　　
　　同一種玻璃經(jīng)過深加工后，使其不僅具有一種功能而且有多種功能。例如筆者用摻雜3％Ｚｎ的Ｔｉ02膜，既有光催化功能又有殺菌功能；基片為鈉鈣平板玻璃，以鈦酸四丁脂［ｒｉ（0Ｃ4Ｈ4）4］為先驅(qū)體，加乙醇、二乙醇胺勝后，再加人醋酸鋅Ｚｎ（ＣＨ3ＣＯＯ）2溶液，制成溶膠，在玻璃表面涂膜后，然后在550丈處理即得光催化膜，不僅對甲基橙的光催化率65％以上，而且對大腸桿菌、綠濃桿菌、葡萄球菌都有明顯的殺菌作用＇Ｓｃｈｏｔｔ研發(fā)的平衡菌落玻璃ＡｎｔｉｍｉｃｉＤｂｉａｌＧｌａｓｓ則是兼有增強和殺菌功能�；瑸椋樱椋希妫粒蓿希妫停纾希危Γ希�20玻璃，厚度為0．3－0．7ｍｍ，在ＫＮ03熔鹽中加入ＡｇＮ031－5％，離子交換后表面壓應(yīng)力600￣1000ＭＰａ，斷裂力＞1000Ｎ。按美國ＡＳＴＭ2180－01的方法測試，對綠膿桿菌、金色葡萄球菌、黑曲霉、大腸桿菌、沙門氏菌、均符合平衡菌落標(biāo)準(zhǔn)，也可符合中國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ＪＣＴ1054－2007上對大腸桿菌、金色葡萄球菌試驗要求。
　　
　�。茫铮恚椋睿绻就瞥龅暮粒纾钠胶饩浔Ｗo(hù)玻璃，除有平衡菌落特性，還具有Ｇｏｒｉｌｌａ的髙強度、抗劃傷、耐用性和堅固性，用于電腦、移動電話、計算器、電話機與其他電子顯示器面板，特別適合支付終端，這些較易受很多人群觸摸和污染的設(shè)備上。
　　
　　4.3集成化
　　
　　集成化和多功能化密不可分，通過集成化達(dá)到多功能化，但兩者還是有所區(qū)別。集成化是采用兩種不同性質(zhì)材料通過集成洳復(fù)合、疊層）實現(xiàn)多種功能，或者在同一基片上施加不同處理方法，以達(dá)到多種功能要求〇藍(lán)寶石具有較髙的硬度達(dá)到9，而玻璃硬度為6－7，藍(lán)寶石特別抗磨損，而且熱穩(wěn)定性髙，耐水、大氣、風(fēng)沙、汗水侵蝕能力好，但價格比玻璃髙十倍；于是應(yīng)用夾層玻璃工藝，外層為拋光精度很髙的藍(lán)寶石，通過光學(xué)膠與底層玻璃粘接，制備手機用的復(fù)合藍(lán)寶石面板，既發(fā)揮了藍(lán)寶石的耐磨性，又降低了成本ｔｌ5］。傳統(tǒng)的手機面板為三層設(shè)計即ＬＣＤ（Ｓ示屏）／觸摸屏／保護(hù)玻璃，現(xiàn)在集成為ＯＧＳ（ＯｎｅＧｌａｓｓＳｏｌｕｔｉｏｎ），將觸摸板玻璃與保護(hù)玻璃功能集成在一起，一片玻璃既是觸摸板又是保護(hù)板，與兩片玻璃相比，厚度減少30％，重量減少26％。手機玻璃面板另一種集成，是將化學(xué)增強的基片上鍍10￣7〇Ｍｊｎ單層Ｓｉ02（或Ｆ－ＳｉＯｊ或Ｙ203－Ｔｉ02－Ｓｉ02減反射膜，較外層再涂烷氧基甲烷聚醚ＤＣ2604的疏水、疏油脂的防指紋污染涂層。
　　
　　4．4智能化
　　
　　智能化指材料或器件具有自我測試（診斷）、自我控制（控制）、自我修正的能力。對于玻璃深加工產(chǎn)品來講，目前已做到前兩個階段，即自我測試和自我調(diào)節(jié)功能。智能化是集成化和多功能化的綜合，通過集成和多功能化達(dá)到智能化。目前玻璃深加工智能化產(chǎn)品主要集中于智能化建筑上，使智能化建筑玻璃具有自動調(diào)光、自動調(diào)濕、隔聲、自清潔、平衡菌落殺菌、空氣凈化、光伏整體化、太陽能集熱、光催化反應(yīng)制氫等功能。智能玻璃視屏幕墻是將玻璃觸摸屏、顯示器與投影儀結(jié)合，形成具有互動效果的玻璃幕墻可達(dá)到100寸大小；不打開電源時是一塊透明玻璃幕墻，打開專項使用投影設(shè)．備，就成為觸摸顯示屏，不僅可播放電視、電影、ＰＰＴ，而且可以手指在屏上寫字，進(jìn)行觸摸控制。
　　
　　第四次工業(yè)革命提出建立智慧工廠，生產(chǎn)智能產(chǎn)品，為玻璃深加工發(fā)展指出了明確方向。