輕薄化、多功能化、集成化、智能化是深加工發(fā)展趨勢(shì)

　　

　　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，是最早的鍍膜玻璃;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(gè)國(guó)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(guó)平板玻璃產(chǎn)量一直居世界第一，但深加工率僅有35％，十二？五末期計(jì)劃達(dá)到45％，而發(fā)達(dá)國(guó)為80％以上；發(fā)達(dá)國(guó)家深加工品種有200多種，我國(guó)僅為發(fā)達(dá)國(guó)家的1／10；發(fā)達(dá)國(guó)家深加工玻璃增值率為1：5，我國(guó)僅為1：3，由此可見我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)而不是玻璃強(qiáng)國(guó)。為此必須以研發(fā)和創(chuàng)新為戰(zhàn)略思想發(fā)展我國(guó)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(shì)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(jī)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(kuò)展其用途。玻璃深加工有顯著的特點(diǎn)，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(yáng)作用，貼變色膜能在不同光強(qiáng)或不同電場(chǎng)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(kuò)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：

　　

　?、偶{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。

　　

　?。?）介觀或微觀粒子沉積沉積物以介觀（ｍｍ級(jí)）或微觀級(jí)）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。

　　

　?。?）整體覆蓋將覆蓋材料同一時(shí)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(kuò)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；表面處理的深度還受到一定的限制，如離子交換深度從十幾微米到幾百微米，離子注人深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(yáng)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(cè)試手段，推動(dòng)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(jì)算機(jī)容量和速度的提髙，分子動(dòng)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(kuò)散和薄膜生長(zhǎng)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(qiáng)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(zhǎng)以及高能量脈沖電子束對(duì)玻璃表面的作用方面；而逾滲（ｐｅｒｃｏｌａｔｉｏｎ）理論對(duì)玻璃表面微區(qū)塑性性質(zhì)、擴(kuò)散、斷裂力學(xué)和多孔介質(zhì)性能，可進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)，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(yáng)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(chǔ)膜（磁記錄膜、光盤存儲(chǔ)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、高強(qiáng)度膜、髙硬度膜）、裝飾膜（虹彩膜、仿金膜）、光催化膜、抗菌殺菌膜、智能膜洸敏變色、熱敏變色、電場(chǎng)變色等）、太陽(yáng)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(jì)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(chǔ)信息，容量為1．5ＧＢ，不僅能存儲(chǔ)文字和照片，也可記錄視頻，特點(diǎn)是能適合宇宙空間惡劣條件，加熱到1000度保溫2ｈ情況下數(shù)據(jù)仍不會(huì)丟失，此玻璃光盤保存時(shí)間可達(dá)1億年，提供了充足時(shí)間以發(fā)送到其它星球。智能手機(jī)的發(fā)展要求高強(qiáng)度，抗磨損，高熱穩(wěn)定性能的玻璃手機(jī)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(duì)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(tái)，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)提供的超精密、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(guó)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(jì)算機(jī)控制的小磨頭，但此磨頭不是傳統(tǒng)意義上機(jī)械磨頭，而是由磁流變拋光液在磁場(chǎng)作用下形成的“柔性”磨頭，其形狀和硬度可由磁場(chǎng)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(shí)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(shí)現(xiàn)玻璃中三維光存儲(chǔ)，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(jià)態(tài)的變化，使玻璃中內(nèi)雕不僅是白色而且可呈紫紅色。在國(guó)際展覽會(huì)上展出，專家均認(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(diǎn)。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(diǎn)，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(chǎng)發(fā)射表面顯示器（ＦＥＤ）等。本世紀(jì)初筆者用強(qiáng)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(yáng)，明清以來，我國(guó)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(shì)

　　

　　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(yùn)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(guó)產(chǎn)量3550萬噸計(jì)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(yùn)輸車輛74萬輛次（按20噸載重量計(jì)算）［11］。以手機(jī)為例，最初的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(jī)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(duì)卷（Ｒｏｌｅ?。簦铮遥铮欤澹┓绞街圃祜@示器。Ｓｃｈｏｔｔ也在2014年在國(guó)際觸摸屏展會(huì)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(qiáng)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(jī)面板玻璃，一般平板玻璃抗彎曲強(qiáng)度為89ＭＰａ，經(jīng)化學(xué)鋼化后Ｇｏｒｉｌｌａ抗彎曲強(qiáng)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?。停校帷。?／2〇?。茫铮颍椋睿绻緦ⅲ牵铮颍椋欤欤岵ＡР粩嗌?jí)換代，Ｇｏｒｉｌｌａｌ化學(xué)鋼化后壓應(yīng)力3＝　800ＭＰ＋?。牵铮颍恚?　＞900?。停校?；?。牵铮颍椋欤欤幔鞈?yīng)力層深度彡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(qiáng)外，還可通過離子注人增加玻璃強(qiáng)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(duì)手機(jī)藍(lán)寶石、玻璃面板進(jìn)行增強(qiáng)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(duì)甲基橙的光催化率65％以上，而且對(duì)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)的抗菌玻璃ＡｎｔｉｍｉｃｉＤｂｉａｌ　Ｇｌａｓｓ則是兼有增強(qiáng)和殺菌功能?；瑸椋樱椋希妫粒蓿希妫停纾希危Γ希?0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(guó)ＡＳＴＭ2180－01的方法測(cè)試，對(duì)綠膿桿菌、金色葡萄球菌、黑曲霉、大腸桿菌、沙門氏菌、均符合抗菌標(biāo)準(zhǔn)，也可符合中國(guó)建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ＪＣＴ1054－2007上對(duì)大腸桿菌、金色葡萄球菌試驗(yàn)要求。

　　

　?。茫铮恚椋睿绻就瞥龅暮粒纾目咕Ｗo(hù)玻璃，除有抗菌特性，還具有Ｇｏｒｉｌｌａ的髙強(qiáng)度、抗劃傷、耐用性和堅(jiān)固性，用于電腦、移動(dòng)電話、計(jì)算器、電話機(jī)與其他電子顯示器面板，特別適合支付終端，這些最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(shí)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)寶石具有極髙的硬度達(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(jià)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(jī)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(jī)面板為三層設(shè)計(jì)即ＬＣＤ（Ｓ示屏）／觸摸屏／保護(hù)玻璃，現(xiàn)在集成為ＯＧＳ（Ｏｎｅ?。牵欤幔螅蟆。樱铮欤酰簦椋铮睿?，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(jī)玻璃面板另一種集成，是將化學(xué)增強(qiáng)的基片上鍍10￣7〇Ｍｊｎ單層Ｓｉ02（或Ｆ－ＳｉＯｊ或Ｙ203－Ｔｉ02－?。樱?2減反射膜，最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(cè)試（診斷）、自我控制（控制）、自我修復(fù)的能力。對(duì)于玻璃深加工產(chǎn)品來講，目前已做到前兩個(gè)階段，即自我測(cè)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(dòng)調(diào)光、自動(dòng)調(diào)濕、隔聲、自清潔、抗菌殺菌、空氣凈化、光伏一體化、太陽(yáng)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(dòng)效果的玻璃幕墻可達(dá)到100寸大??；不打開電源時(shí)是一塊透明玻璃幕墻，打開專用投影設(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。