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科技创新

大家的玻璃:再也不想做“小透明”了!

来源:企观国资  发布时间:2021-05-19

你不会以为,玻璃就叫“玻璃”吧,无色的小透明?

其实玻璃还有很多学名,小料就说几个让大家感受一下,比如5.0中性硼硅药用玻璃、硫系红外玻璃、30微米超薄柔性可折叠玻璃、ITO导电膜玻璃、188ITO膜玻璃、复合微孔准直玻璃材料等。

还能导电?还是中性?还可以折叠?还有复合微孔准直玻璃材料,这是什么玩意儿?

没错,这些玻璃都是大家集团多年来的重要研究成果,并且一直在贯彻落实玻璃新材料“3+1”战略布局。那这些玻璃常见吗?

大家日常生活中是不是存在却被大家忽视了呢?

拒绝垄断 自主防疫 

今年以来,国内正在大力普及新冠疫情疫苗接种工作。疫情发生到现在,大家一直关注着疫苗上市的进展。但是尽管疫苗研制成功,没有足够多的瓶子装疫苗,大家又怎么能被接种呢?

早期,国内医药企业生产的药物以药剂为主,医药包装材料较为简单,以棕色玻璃瓶、草板纸盒以及部分直颈安瓿为主。但是疫苗,作为高端生物制剂需要更匹配的包装品——5.0中性硼硅药用玻璃。

5.0中硼硅玻璃在耐水性、耐酸耐碱性、抗冷冻性、热稳定性、灌装速度等方面都远优于7.0低硼硅玻璃,不易因药品浸泡、侵蚀而产生“脱片”现象,与其他药用玻璃瓶相比,在确保药品质量方面具有不可比拟的优越性,是国际公认的安全药用包材。

《中国药用玻璃包装深度调研与投资战略报告(2019版)》显示,2018年,国内药用玻璃市场上,中硼硅玻璃使用量仅占7%-8%。而在美国、欧洲等成熟市场中,均已经强制要求所有注射制剂和生物制剂使用中硼硅玻璃包装。

长期以来,国内疫苗包装用中性硼硅药用玻璃被国外企业垄断。为什么会这样?还是因为核心技术没有掌握在自己人手中!尽管它的主要成分仅是普普通通的石英砂(二氧化硅),但其制备工艺可是具有极高的技术壁垒。

什么是5.0药用玻璃?还是中性的?

药用中性玻璃即通常所称的Ⅰ类玻璃,也称为5.0玻璃或甲级料,可以说是最好的药用玻璃。

我国部分药厂为了将药品出口到欧美国家,不得不高价从国外进口5.0中性硼硅药用玻璃管及玻璃瓶。

中性硼硅药用玻璃制备工艺究竟难在哪?

玻璃的医用中性硼硅的主要成分为石英砂、氧化铝、氧化硼、氧化钠/钾、氧化钡/镁/钙。

玻璃的主要成分是耐水性能很好的石英。制备的过程中需要用到改变玻璃熔点的二氧化硅,但由于高纯度二氧化硅熔点高达约2000℃,而且价格也高,所以通过添加钠、钙等较常见的网络改性剂调节。问题又来了,网络改性剂会和水中氢离子交换,降低玻璃的耐水性能,所以又要加点硼和铝来加强玻璃结构,让熔化温度上升,提高玻璃的耐水性。

所以,从成分上看,5.0药用玻璃制备过程中,二氧化硅、氧化铝、氧化硼、氧化钠/钾、氧化钡/镁/钙的比例就很关键,不过这这也不是什么秘密,二氧化硅含量约为72~75%,氧化硼约10%,氧化铝5~7%,氧化钠/钾6-9%,氧化钡/镁/钙1-3。

因为硼的含量大于10%,氧化铝含量接近7%,所以面临着黏度大、熔化温度较高等问题,同时由于成型时对玻璃管的尺寸公差要求非常高,因此对玻璃的气泡含量、玻璃熔体的化学均匀性、温度均匀性都比普通玻璃要求高很多。

国外怎么解决的?

国外采用全氧燃烧同时辅助电助熔工艺进行熔化作业,再辅助于复合澄清剂,所以采用的炉子也多为全氧电助熔炉,炉子的规模多在10~30吨/天左右。

中国建材集团所属凯盛科技集团有限企业,充分发挥中建材蚌埠玻璃工业设计研究院的科研和技术实力,采用“全氧燃烧+电助熔”的熔化工艺,并在设备关键部位大量采用贵金属铂金,通过3年时间联合攻关,在凯盛君恒生产线上,最终成功攻克了高品质熔化、高精度成型等核心难题,解决了中性硼硅玻璃管生产中玻璃液不易澄清和高质量成形难度大的问题,并将此技术实现产业化应用,在国内首次使用国际认可的丹纳法拉管成型工艺,每年可以生产5000吨5.0中性硼硅药用玻璃。

凯盛君恒5.0中性硼硅药用玻璃生产线

“全氧燃烧”技术是用工业氧气代替空气来燃烧燃料,可以使燃料燃烧更加完全,减少NOx的排放,还达到净化环境的要求。再加上用丹纳拉管法能拉制精度较好的,外径为2~70mm,壁厚为0.4~3.0mm的玻璃管。

早在2019年,中国建材集团、凯盛科技就已经投资建设中建材5.0中性硼硅药玻璃产业园项目,投资金额高达10亿元,规划占地200亩。

现在,国产5.0中性硼硅药用玻璃产品质量通过权威检验机构检测,理化性能与加工性能也都达到国外同类产品标准。

防疫玻璃 更要精准

除了疫苗瓶,大家的玻璃在抗疫初期更是发挥了“精准”的作用。

疫情期间,宅家办公的打工人还记得每天需要向企业汇报当日测量体温吗?

机场口岸、地铁、车站、码头、医院、住宅小区、企事业单位,主要进入公共场合都需要接受体温检测。

在人群密集的地方,已经不需要排队测温是怎么做到的?这个屏幕大家一定不会陌生。

从一个一个接受体温计测温,到可以迅速通过安检大门,能如此高效地测温都归功于以硫系玻璃为基础的红外镜头。

没错,这也是中国建材集团所属中国建材总院的功劳。

中国建材总院采用了特种玻璃——硫系玻璃作为红外镜头的镜片。

玻璃院红外镜头和硫系红外玻璃的研发及生产

硫系玻璃的主要成分是硫族元素S、Se和Te中的一种或几种,对8~12微米红外波段具有高透过率,可以快速和精确地测量人体温度,测温范围-20℃~+120℃,测温精度达到±0.3℃。

红外镜头可以对过检人员进行多点体温探测,无需近距离接触,只需间隔3米~4米即可对过往人群进行准确高效筛查。

并且通过热像仪探测极微小温差,将温差转换成实时视频图像显示出来,发现体温高时马上报警,快速、安全识别发热人群。

这是怎么做到的?

红外测温设备是以红外热成像技术为原理打造的,镜头最前端的硫系玻璃通过光学系统把肉眼不可见的目标物体辐射出的红外能量汇聚起来,聚焦在光电探测器上,并转变为相应的电信号,再经电路运算处理电路后,换算转变为被测目标的线性的温度信号值,实现进一步的信号处理及控制。

显示屏上红红绿绿的信号就是这么出来的。

折不断的超薄玻璃 

去年,中国建材集团旗下凯盛科技联合蚌埠院开发出全流程化30微米至70微米的超薄柔性可折叠玻璃(UTG,Ultra Thin Glass)。

可以折叠的玻璃?

对!这是我国在玻璃新材料领域的又一项“卡脖子”关键技术,还是国内唯一全国产化UTG产业链。

2019年之后,众多终端厂商都在向折叠领域投巨资开发新产品,比如折叠屏手机。

但是2019年11月发布的SAMSUNG Galaxy Fold折叠屏采用的是CPI膜片。

CPI指的是ColorlessPolyimide,学名无色聚酰亚胺,简称透明PI膜,它属于一种工程塑料。

CPI膜片的机械性能较强,并且可以耐高温,加上生产难度不高,便于控制成本等优势都抵不过在实际操作中会出现的问题。不耐刮、防护性差、表面硬度不足,甚至能活生生地把屏幕撕下来。

没办法,国产柔性玻璃这会儿还没研发出来。

所以,HUAWEI Mate X、摩托罗拉 Razr 5G、HUAWEI Mate X2以及小米MIX FOLD等等,还是采用了CPI柔性折叠盖板。

对比CPI材质,UTG基于玻璃的特性,透光率更高、触摸感也更接近用户使用过的传统手机,并且在硬度上也更高,更加耐磨耐热。

柔性玻璃的厚度在30-70微米,这是个什么概念?

普通人一根头发丝的直径大概在60~90微米。60微米以下可以划分为细发,90微米以上是粗发。柔性玻璃的厚度比普通人的头发还要薄二分之一,弯折后的半径能达到小于1.5毫米。

0.12毫米超薄电子触控玻璃

玻璃易碎是人们的普遍常识,但柔性玻璃已经实现了连续90万次弯折都不会有破损。 

超薄柔性玻璃具备超薄、耐磨、透光性好、强度高、可弯折、回弹性好等特性,被认为是柔性折叠材料在新型显示应用上的重要发展方向。

这么薄的玻璃是怎么生产出来的?

在此之前,世界上最薄的0.12毫米超薄玻璃是中国建材集团凯盛科技在2018年生产的。到了2019年,凯盛科技充分发挥整合旗下蚌埠院、中建材(蚌埠)光电材料有限企业、凯盛科技股份有限企业等企业优势,成功开发出国内唯一全国产化的“原片配方开发、原片生产、UTG 减薄、UTG 成型、柔性贴合”全套超薄柔性玻璃生产工艺技术,形成了全国产化超薄柔性玻璃产业链,突破了信息显示关键材料“卡脖子”技术,打破了国外垄断。2021年2月,在超薄柔性玻璃产品的良品率和弯折半径上持续突破,实现30微米弯折半径小于1毫米。 

除了超薄柔性玻璃外,中国建材还有一项令世人瞩目的重量级成果。 

2019年9月18日,中建材蚌埠玻璃工业设计研究院自主研发的中国首片8.5代TFT液晶玻璃基板在安徽蚌埠下线,从点火投产到成功引板仅用70天,创造了自主生产高世代液晶玻璃基板的“中国速度”。 

玻璃基板是一种表面极其平整的浮法生产薄玻璃片,是构成液晶显示器件的一个基本部件。

TFT液晶玻璃基板是液晶显示面板核心部件,是电子信息显示产业的关键材料,其生产控制精度与半导体行业相当,代表着目前全球现代玻璃规模化制造领域的最高水平。 

8.5代TFT-LCD玻璃基板生产线薄膜光伏建筑一体化应用示范项目

8.5代玻璃基板是65英寸以上大尺寸液晶电视显示面板的核心部件,被誉为信息显示玻璃行业“皇冠上的明珠”。长期以来,大尺寸液晶显示所需的8.5代TFT液晶玻璃基板核心技术完全被国外垄断,成为我国显示产业发展的“卡脖子”难题。 

目前中国建材集团8.5代玻璃基板相关产品获得市场认可,通过国内主流面板厂商的全流程梯度应用认证,成功导入大尺寸显示产业链,为我国千亿级信息显示产业“固链、补链、强链”,满足我国液晶显示产业对基板玻璃的巨大需求发挥了重大作用。 

8.5代TFT-LCD玻璃基板产品实现工业化生产,使我国成为继美日之后第三个掌握高世代TFT-LCD玻璃基板生产技术的国家,这对全面提升我国电子玻璃在国际市场的主动权与话语权,保障我国信息显示产业安全意义深远。
除了应用于手机、平板电脑、液晶电视、工控屏等终端显示产品的超薄触控玻璃,中国建材还有ITO导电膜玻璃、高铝盖板玻璃等,这些都统称为电子显示玻璃。

中国建材通过对平板玻璃进行各种物理和化学处理,以及与其他材料进行结构组合,形成具有新功能的深加工玻璃。从源头上保障了中国信息显示产业链安全,打破国外垄断。

太空漫游的玻璃 

除了身边的特殊玻璃,在遥远的外太空也有中建材玻璃的身影。

2020年6月23日,中国建材集团所属中国建材总院玻纤院研制的星载氢原子钟用高稳定性复合微孔准直玻璃材料再一次被搭载应用。

我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射北斗系统第五十五颗导航卫星,暨北斗三号最后一颗全球组网卫星。

导航的核心是时间测量。时间测量越精密,位置计算就越精确。

导航卫星上面,原子钟也是一个命门。如果原子钟不准,整个时空基准就谈不上了。

从北斗三号开始,大家开始用自己研发的原子钟。但是地面的原子钟要搬到卫星上,面临的问题非常非常多。首先,原子钟体积和重量一定不能做得特别大;其次,原子钟需要面对太空间辐照、热环境、复杂的力学环境等。

为了提高服务的精度及卫星在轨服务的可靠性,北斗三号卫星还采取了多项可靠性措施,使卫星的设计寿命达到12年,达到国际导航卫星的先进水平,这为北斗系统服务的连续、稳定提供了基础保证。

其中,中国建材总院玻纤院研制的新型高稳定性复合微孔准直玻璃材料,就是为了提高氢原子钟的稳定性、可靠性和使用寿命,被称为星载原子钟上的“毛细管”。

除了复合微孔准直玻璃材料,还有耐辐照石英玻璃。由石英与特种玻璃研究院自主研制的耐辐照石英玻璃,是姿态控制系统的核心光学材料,帮助卫星精确测量其在宇宙中的方位。

耐辐照石英玻璃的功能和它的名字一样,能耐宇宙射线辐照、过滤紫外线、抗热冲击等。

其实,岁月静好的生活背后,是一个个强大的技术网编织的世界。而每一个技术的突破,都是为了掌握更多的自主权。

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