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“透明世界”,风景这边独好

作者:苏更林来源:《百科知识》2022年9期时间:2022-05-30 08:36:48阅读数:63

 

随处可见的玻璃,也许并没有引起太多人的注意。为什么联合国要把2022年确定为“国际玻璃年”?这说明玻璃已经成为我们这个社会的根基,离开了玻璃材料人类社会就会出现危机。

仔细梳理玻璃在人类文明进程中的角色和地位,你一定会发现“透明世界”的迷人风采!有了玻璃,人类医学就多了一份保障,上天入海就多了一份支持,信息交流就多了一份选择,探索未知就多了一份信心,节能减排就多了一份力量……

“一瓶难求”,折射出玻璃包装之重

 

面对琳琅满目的玻璃瓶装食品,我们似乎已经司空见惯了。然而,近两年发生的事,也许会改变我们对于玻璃包装重要性的认识。

为了应对来势凶猛的新冠疫情,世界多国竞相研发新冠疫苗。有媒体发出感叹:“造得了疫苗,造不了疫苗玻璃瓶,中国又被‘卡脖子了?”

小小疫苗玻璃瓶有什么神秘之处,居然能让疫苗“一瓶难求”?原来,疫苗瓶的选材十分讲究。疫苗是一种特殊的药品,对包装瓶的要求极其严苛。毕竟疫苗要与包装瓶直接接触并储存较长的时间,要求疫苗瓶不能与疫苗发生相互作用,否则就会直接影响药品质量和用药安全。

按照国际标准,盛装疫苗的玻璃容器必须为“一类中硼硅玻璃瓶”。硼硅玻璃属于药用玻璃,根据其三氧化二硼含量和线性膨胀系数的不同可以分为4种:高硼硅玻璃、中硼硅玻璃、低硼硅玻璃、钠钙玻璃。其中,中硼硅玻璃因为性能优良而成为注射剂玻璃包装材料中的“佼佼者”。中硼硅玻璃三氧化二硼的含量为8%~12%,由于线性膨胀系数小,耐极冷、极热性强,加工过程中不易炸裂,机械强度高,抗冲击性强。同时,中硼硅玻璃化学稳定性好,耐酸、耐堿、耐水级别高,能保证药品有效期。

在药用玻璃领域,耐水性是一个非常重要的指标,耐水性越好说明材料性质越稳定,因此越不容易与瓶内的药剂发生化学反应。中硼硅玻璃可广泛用于制造各种针剂、血液、疫苗等药品的包装瓶。

中硼硅玻璃由于熔点高、黏度高,在熔化、拉管、成型过程中难度都要高于普通玻璃。国外的中硼硅玻璃生产企业目前只有德国肖特、美国康宁、日本NEG三大品牌。我国的四星玻璃是目前国内第一家能够批量生产5.0药用中硼硅玻璃的企业。国家发改委为四星玻璃投资1亿多元,用于10万吨中硼硅玻璃生产基地建设。基地的建成可满足200亿支生物疫苗用玻璃瓶的需求,从而改变我国疫苗瓶“受制于人”的局面,使得国产疫苗从生产到包装拥有完全自主知识产权。

除了药品包装之外,玻璃在食品包装中的地位也不容小觑。据悉,在清凉饮料中,玻璃包装占到了75%;在啤酒饮料中,玻璃包装占到了45%;在食醋中,玻璃包装占到了99%;在调料中,玻璃包装占到了60%……

瓶装罐头的发明就是一个玻璃包装的成功案例。1795年的一天,拿破仑开出12000法郎的价码征集食品贮藏法,以用于战时士兵的食品补给。尼古拉·阿佩尔是巴黎一位经营糕点食品的老板,拥有丰富的食品加工经验。1804年夏天,阿佩尔尝试把食品装入广口玻璃瓶,并置于沸水锅中加热几十分钟,然后趁热用软木塞把瓶口塞紧,再用铁丝把瓶口扎紧或用蜡把瓶口封死。这就是瓶装罐头食品的雏形。

阿佩尔向官方报告了他的“密封容器贮藏食品新技术”。拿破仑知道后甚是高兴,并立即安排组织生产。第一批瓶装食品生产出来后,被送往某海军基地进行实地试验。几个月后,拿破仑收到了一份由海军司令签署的鉴定报告,说是瓶装豆角和青菜鲜度如初。1809年,阿佩尔终于得到了那笔12000法郎的赏金。此后,阿佩尔建立了自己的罐头厂,能够生产70多种罐头食品。不久,阿佩尔的食品保藏法就被传到了欧洲各国,并逐渐走向全球。

在一个崇尚包装的时代,玻璃作为包装材料的地位日趋重要。玻璃以其光亮透明、化学惰性、不透气、易成型等优势,大约占据了各行业包装容器10%的份额,并且玻璃包装用量还在逐年增长。

挑战深海,玻璃微球托起“浮力梦”

 

从“蛟龙”号到“奋斗者”号的海试成功,见证了我国载人深潜器的国产化之路。固体浮力材料是深潜器六大关键技术之一,其核心材料就是空心玻璃微球。

所谓空心玻璃微球,就是微米量级的薄壁空心玻璃小球。这样的玻璃微球看上去就像食盐一样,用肉眼都难以分辨其模样。玻璃微球的壁厚大约是其直径的1%,这样的空心结构使其密度很低,这是其作为固体浮力材料核心的根本所在。在固体浮力材料中,空心玻璃微球的体积占比高达60%~70%,并直接影响浮力材料的最终性能。

无论是载人深潜器还是无人深潜器,完成任务后都要返回到海面,固体浮力材料就是保证潜水器“回家”的关键材料。那么,深潜器如何下潜和上浮?固体浮力材料又是如何发挥作用的呢?

我们知道,只有满足深潜器密度小于海水密度这个条件时,深潜器才会实现无动力上浮。而在组成深潜器的各个子系统中,除了浮力材料之外,其他装备的密度几乎都是大于海水的。浮力材料的密度只有海水的一半左右,其作用就是把潜水器的密度降下来。通常,浮力材料的质量会占到潜水器总质量的三分之一左右,而占用的体积比例则会更大一些。

深潜器的下潜和上浮是通过调节自身的密度来实现的。在深潜器无动力下潜时,为了保证深潜器的密度大于海水,需要在深潜器两侧配备一定质量的压载铁。而在完成深海作业之后,就需要把压载铁抛掉,从而使得深潜器的密度小于海水,这样才能启动无动力上浮。

“蛟龙”号作为我国自行设计、自主集成研制的载人深潜器,下潜深度一步跃升为7000米。然而,“蛟龙”号使用的固体浮力材料全部依赖进口。当时国际上深海7000米级最先进的固体浮力材料密度为0.481克每立方厘米,而外国卖给我国的浮力材料密度则为0.561克每立方厘米。

固体浮力材料对我国来说简直就是“卡脖子”技术。20世纪50年代,美国、日本、苏联就开始研制空心玻璃微球。我国从20世纪90年代才开始研发固体浮力材料,比国外整整晚了40年,而且还要面对国外的技术封锁,要实现固体浮力材料的国产化,面临的挑战无疑是十分严峻的。

浮力材料的先进性是用给定承压条件下的密度和吸水率来表示的。密度是浮力材料的核心指标,密度越小,其浮力越大。吸水率也是影响浮力材料性能的一个重要指标,浮力材料的吸水率越低,其浮力系数就会越稳定。

研制深海固体浮力材料,关键是要突破空心玻璃微球核心技术。如何让空心玻璃微球既轻又强,就是一个难啃的“硬骨头”。所谓轻,指的是密度要小;所谓强,说的是抗压性能要好。然而,万米海深的压强大约为110兆帕,几乎相当于把一辆轿车压在一个指甲盖上。一个脆弱的空心玻璃微球能耐得住如此高压吗?

近乎完美的球形薄壁结构可以赋予其很高的抗压强度。这是因为,球形薄壁结构在受到一个围压作用时,其拱形曲面可以抵消外力的作用,使得结构更加坚固。当然,影响空心玻璃微球强度的因素还有很多,如玻璃微球的原料体系以及制备工艺等。

深海固體浮力材料是由空心玻璃微球与树脂基材经热固化成型而制得的。经过无数次的试验和失败,中国科学院理化技术研究所张敬杰带领的研究团队终于在2016年攻克了深海固体浮力材料的技术难题。2018年1月,该所为我国全海深载人潜水器研制的浮力材料进行了定型测试。2020年11月28日,“奋斗者”号全海深载人潜水器圆满完成万米深潜海试任务,顺利返回海南三亚,标志着国产高性能玻璃微球托起了我国万米载人潜水器的“浮力梦”。

其实,空心玻璃微球的应用并不局限于深海固体浮力材料。空心玻璃微球作为复合材料的关键原材料之一,除了轻量化之外,还具有化学稳定、机械稳定以及隔音隔热效果,在航空航天、信息产业、石油开采以及民生领域也有用武之地。

玻璃光纤,信息时代的“神经”

 

互联网的诞生是人类科技发展史上的一个传奇,其革命性意义无疑是十分深远的。令人难以置信的是,一束以二氧化硅为主要材料的玻璃光纤竟然把人类带到了一个崭新的信息时代。

基于光的通信由来已久,从烽火台到光话机,都体现了光通信的重要性;但直到激光器和光纤的发明,才真正迎来了光通信的曙光。

1966年,高锟在一篇论文中首次提出玻璃纤维作为光波导用于光学通信的理论,并计算出了如何使光在光导纤维中进行远距离传输的问题。高锟因“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得的突破性成就,而分享了2009年的诺贝尔物理学奖。

 

光导纤维简称光纤,实际上就是一种透明度很高的石英玻璃丝,它是由芯子和包层组成的。芯子的直径在10微米以下,主体材料为二氧化硅,并掺杂有少量五氧化二磷和二氧化锗,其作用在于提高光的折射率。包层的直径在100微米左右,是由纯二氧化硅材料构成的,或者掺杂有少量氧化硼或氟元素,其作用在于降低光的折射率。

从理论上讲,一根头发丝粗细的光纤可以同时传送1000亿对电话通话。有了这样的通信系统,“地球村”就不再只是一个概念。为什么玻璃光纤能有如此“神功”?原来,现代的光纤通信主要运用了光的反射原理,并把光的全反射限制在了纤细的光纤内部,这样就可以用光信号取代电信号来完成信息传递。

由于玻璃光纤的芯子和包层具有不同的折射率,因此经过调制的激光信号可以不断地在芯子和包层的交界处发生反射,从而在芯子内部沿着“之”字形传播。这样的传播路径与光的直线传播规律并不矛盾。因为光沿着直线传播的法则并没有改变,只是在传播中发生了光的反射,所以从总体上看,光是以“之”字形折线形式前进的。

光纤通信的发展过程并不是一帆风顺的。比如,减少光纤的损耗就是一个极具挑战性的难题。1955年,有人发明了一种用于诊断疾病的内窥镜。这种内窥镜就是用极细的光导纤维制成的,光线从光导纤维的一端射入,经过连续反射从另一端射出。这种内窥镜最初被应用于人体肠胃疾病诊断,但由于光信号衰减损耗很大,只能观察到范围有限的体内情况。

 

光信号在光纤中的传播衰减是由玻璃的纯度和传输光的波长所决定的。所以,提高玻璃光纤材料的纯度是降低光纤损耗的关键之一。1970年,世界上第一根低损耗的石英光纤诞生于美国康宁玻璃公司,传输损耗只有20分贝每千米,从而为光纤用于通信铺平了道路。

1971年,世界上第一条1千米长的光纤问世。1981年,第一个光纤通信系统启用。在此后的几十年间,光纤网络托起了国际互联网的辉煌。

1994年4月20日,中国通过一条64千比特的国际专线全功能接入国际互联网,标志着中国互联网时代的开启。我国互联网的跨越式发展,为我国经济社会的发展以及人们的智能生活提供了强有力的技术支撑。

特别是4G的成熟和商用,让我们步入了移动互联网时代。5G时代进一步开拓了人们智能生活的新视野,并深刻影响着人们的生活方式。未来的6G时代,将会是一个更加智能的时代,我们期待美好明天的到来!

 

 

 

光热发电

利用太阳能进行发电,除了光伏发电,还有光热发电。尽管光热发电的形式多种多样,但都有一个共同的核心部件——定日镜。

所谓定日镜,指的是反射太阳光的镜子。我国建设的敦煌10兆瓦熔盐塔式光热发电站,是亚洲第一座可连续发电的光热电站。在138.3米高的吸热塔周围,由5万多片镜子组成的1525面定日镜,能够对太阳光进行反射聚焦。这个定日镜群就是盗取太阳“天火”的神器。当定日镜群把太阳光直接反射并聚焦到接收器时,可以把高热流密度的辐射能转化为热能,使其内部的低温熔盐在瞬间升至几百摄氏度的高温。

制造定日镜的材料就是镀银玻璃镜。作为镜子的基体,其所用玻璃为低铁超薄超白玻璃,要求具有反射率高(90%以上)、结构强度高、耐候性好、耐磨性好、使用寿命长等特点。镀银玻璃镜的膜层结构由镀层(反射层)和涂层(保护层)组成。镀层由银层和铜层组成,银层对可见光具有均匀的反射性能;铜层完全覆盖银层,是银层上的一个保护层,作为过渡层还可降低银和漆层间的内应力。涂层由一层或几层漆层组成,主要作用是保护银层和铜层。

由于光伏玻璃的工作环境往往很恶劣,会遭受风雨尘沙的侵扰。长此以往,玻璃表面很容易变脏,其后果往往是透光率降低,直接影响发电效率。因此,提高光伏玻璃的自洁能力至关重要。自洁光伏玻璃可以减少雨水、灰尘等对光伏电池板表面的污染。

玻璃材料,塑造風机的“灵魂”

 

风能作为一种清洁能源,已成为世界各国竞相发展的新能源。2021年12月25日,中国三峡新能源集团广东阳江、江苏如东、江苏大丰海上风电项目正式全容量并网发电,这是我国清洁能源加速发展的一个明确信号。

也许,风力发电机对我们来说并不陌生。可是你一旦身临其境,一定会为其感到震撼!我国自主研发的“海上巨无霸”——电网友好型海上风电机组SL5000,风轮高度超过了40层楼高,风轮直径长达128米,单机容量为5000千瓦。

风力发电,风机是关键。风轮直径大小取决于叶片的长度,而叶片长度在一定程度上决定着风电机组的发电水平及整机成本,因此叶片被誉为风机的“灵魂”。这一点也不难理解,因为叶片越长,扫风面积才会越大,发电功率才会越高。

然而,风力发电机的工作环境恶劣,用什么材料制作叶片才能胜任工作呢?这是一个伴随风力发电演化历史的首要问题。在风力发电的早期,风力发电机的叶轮直径比较短,叶片材质大多采用的是木材。木质叶片的弊端很多,如容易受潮变形,不易加工成型等。20世纪40年代,不锈钢、铝合金等材料取代木材被用作制造叶片。要知道,风力发电机的叶片制造可是一个技术活,总体要求是刚度要大、强度要高、重量要轻。后来,有人用钢材来搭建叶片的整体结构,内填泡沫塑料,外覆玻璃钢蒙皮。

那么,什么是玻璃钢呢?玻璃钢是一种复合材料,它既有玻璃的成分但又具有钢一样的强度。在我们的印象中,玻璃是一种易脆的材料。殊不知,把玻璃熔化后拉成细丝那强度可就高了,甚至还可以织成布。这种玻璃丝就叫玻璃纤维。如果用各种树脂作为基体,用玻璃纤维作为增强材料,就可以制成玻璃钢制品了。如果把玻璃钢比作钢筋混凝土的话,玻璃纤维就相当于其中的钢筋,各种树脂就相当于其中的黏合剂水泥。

玻璃钢的密度较低,只有钢的四分之一左右,但强度很高,并且还具有良好的耐腐蚀性能。用玻璃钢来制作叶片的蒙皮,不仅能满足强度方面的要求,而且还能够减轻叶片的重量。

1957年,德国的一名设计师首次把玻璃纤维复合材料应用于叶片制造。据称该风力发电机的风轮直径为34米。玻璃纤维复合材料叶片具有耐腐蚀、耐老化和弹性系数高等优点,后来在叶片制造中得到了推广普及。

从20世纪90年代开始,越来越多的海上风力发电机组开始建设。由于海上风电机组单机容量通常要比陆上机组更大,因此对叶片材质的选择也更为苛刻。在这样的背景下,碳纤维复合材料进入了人们的视野。

相较于传统的玻璃纤维复合材料叶片,碳纤维复合材料更具有竞争优势。如碳纤维复合材料叶片的重量更轻,一般叶片可降低30%~50%的重量。但是碳纤维的价格十分昂贵,并且生产碳纤维叶片还存在一定的技术难度。

目前,风机叶片成本约占风机总成本的20%。风电叶片大型化、轻量化、低成本是大势所趋。要论最高性价比,玻璃纤维复合材料仍然具有很大的应用市场。

风机叶片大多采用箱型或者工字型主承力结构,使用轻质材料可以降低叶片质量。关于叶片选材,可以由几种不同的材料组合而成,并通过调整其配比来获得所需要的性能。如采用玻璃纤维、芳族聚酰胺和碳纤维织物的复合物制造叶片,来获得足够大的强度和耐用性,并且具有一定的成本优势。

现代风机叶片不仅在制造材质上不断演进,在结构上也经历了从实心向中空的转变。通常还会在风机叶片的表面涂覆防护油漆或树脂,以此来抵御风、沙、雨、雹的侵蚀。

玻璃,这种古老的二氧化硅材料,为我们创造了一个透明的世界,并在人类的文明进程中扮演了极其重要的角色。如今,玻璃并没有因为岁月的流逝而没落。相反地,玻璃在与时俱进的搏击中获得了更加旺盛的生命力。

从光伏玻璃到光纤通信,从光学玻璃到药用玻璃,从玻璃纤维到电子玻璃……玻璃应用的触角在延伸,并有望为人类的可持续社会带来更多的奇迹和惊喜!

标签:透明世界

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