蘇更林

隨處可見的玻璃，也許并沒有引起太多人的注意。為什么聯(lián)合國要把2022年確定為“國際玻璃年”？這說明玻璃已經(jīng)成為我們這個(gè)社會(huì)的根基，離開了玻璃材料人類社會(huì)就會(huì)出現(xiàn)危機(jī)。

仔細(xì)梳理玻璃在人類文明進(jìn)程中的角色和地位，你一定會(huì)發(fā)現(xiàn)“透明世界”的迷人風(fēng)采！有了玻璃，人類醫(yī)學(xué)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選擇，探索未知就多了一份信心，節(jié)能減排就多了一份力量……

“一瓶難求”，折射出玻璃包裝之重

面對(duì)琳瑯滿目的玻璃瓶裝食品，我們似乎已經(jīng)司空見慣了。然而，近兩年發(fā)生的事，也許會(huì)改變我們對(duì)于玻璃包裝重要性的認(rèn)識(shí)。

為了應(yīng)對(duì)來勢(shì)兇猛的新冠疫情，世界多國競相研發(fā)新冠疫苗。有媒體發(fā)出感嘆：“造得了疫苗，造不了疫苗玻璃瓶，中國又被‘卡脖子了？”

小小疫苗玻璃瓶有什么神秘之處，居然能讓疫苗“一瓶難求”？原來，疫苗瓶的選材十分講究。疫苗是一種特殊的藥品，對(duì)包裝瓶的要求極其嚴(yán)苛。畢竟疫苗要與包裝瓶直接接觸并儲(chǔ)存較長的時(shí)間，要求疫苗瓶不能與疫苗發(fā)生相互作用，否則就會(huì)直接影響藥品質(zhì)量和用藥安全。

按照國際標(biāo)準(zhǔn)，盛裝疫苗的玻璃容器必須為“一類中硼硅玻璃瓶”。硼硅玻璃屬于藥用玻璃，根據(jù)其三氧化二硼含量和線性膨脹系數(shù)的不同可以分為4種：高硼硅玻璃、中硼硅玻璃、低硼硅玻璃、鈉鈣玻璃。其中，中硼硅玻璃因?yàn)樾阅軆?yōu)良而成為注射劑玻璃包裝材料中的“佼佼者”。中硼硅玻璃三氧化二硼的含量為8%～12%，由于線性膨脹系數(shù)小，耐極冷、極熱性強(qiáng)，加工過程中不易炸裂，機(jī)械強(qiáng)度高，抗沖擊性強(qiáng)。同時(shí)，中硼硅玻璃化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸、耐堿、耐水級(jí)別高，能保證藥品有效期。

在藥用玻璃領(lǐng)域，耐水性是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，耐水性越好說明材料性質(zhì)越穩(wěn)定，因此越不容易與瓶內(nèi)的藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。中硼硅玻璃可廣泛用于制造各種針劑、血液、疫苗等藥品的包裝瓶。

中硼硅玻璃由于熔點(diǎn)高、黏度高，在熔化、拉管、成型過程中難度都要高于普通玻璃。國外的中硼硅玻璃生產(chǎn)企業(yè)目前只有德國肖特、美國康寧、日本NEG三大品牌。我國的四星玻璃是目前國內(nèi)第一家能夠批量生產(chǎn)5.0藥用中硼硅玻璃的企業(yè)。國家發(fā)改委為四星玻璃投資1億多元，用于10萬噸中硼硅玻璃生產(chǎn)基地建設(shè)?；氐慕ǔ煽蓾M足200億支生物疫苗用玻璃瓶的需求，從而改變我國疫苗瓶“受制于人”的局面，使得國產(chǎn)疫苗從生產(chǎn)到包裝擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

除了藥品包裝之外，玻璃在食品包裝中的地位也不容小覷。據(jù)悉，在清涼飲料中，玻璃包裝占到了75%；在啤酒飲料中，玻璃包裝占到了45%；在食醋中，玻璃包裝占到了99%；在調(diào)料中，玻璃包裝占到了60%……

瓶裝罐頭的發(fā)明就是一個(gè)玻璃包裝的成功案例。1795年的一天，拿破侖開出12000法郎的價(jià)碼征集食品貯藏法，以用于戰(zhàn)時(shí)士兵的食品補(bǔ)給。尼古拉·阿佩爾是巴黎一位經(jīng)營糕點(diǎn)食品的老板，擁有豐富的食品加工經(jīng)驗(yàn)。1804年夏天，阿佩爾嘗試把食品裝入廣口玻璃瓶，并置于沸水鍋中加熱幾十分鐘，然后趁熱用軟木塞把瓶口塞緊，再用鐵絲把瓶口扎緊或用蠟把瓶口封死。這就是瓶裝罐頭食品的雛形。

阿佩爾向官方報(bào)告了他的“密封容器貯藏食品新技術(shù)”。拿破侖知道后甚是高興，并立即安排組織生產(chǎn)。第一批瓶裝食品生產(chǎn)出來后，被送往某海軍基地進(jìn)行實(shí)地試驗(yàn)。幾個(gè)月后，拿破侖收到了一份由海軍司令簽署的鑒定報(bào)告，說是瓶裝豆角和青菜鮮度如初。1809年，阿佩爾終于得到了那筆12000法郎的賞金。此后，阿佩爾建立了自己的罐頭廠，能夠生產(chǎn)70多種罐頭食品。不久，阿佩爾的食品保藏法就被傳到了歐洲各國，并逐漸走向全球。

在一個(gè)崇尚包裝的時(shí)代，玻璃作為包裝材料的地位日趨重要。玻璃以其光亮透明、化學(xué)惰性、不透氣、易成型等優(yōu)勢(shì)，大約占據(jù)了各行業(yè)包裝容器10%的份額，并且玻璃包裝用量還在逐年增長。

挑戰(zhàn)深海，玻璃微球托起“浮力夢(mèng)”

從“蛟龍”號(hào)到“奮斗者”號(hào)的海試成功，見證了我國載人深潛器的國產(chǎn)化之路。固體浮力材料是深潛器六大關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心材料就是空心玻璃微球。

所謂空心玻璃微球，就是微米量級(jí)的薄壁空心玻璃小球。這樣的玻璃微球看上去就像食鹽一樣，用肉眼都難以分辨其模樣。玻璃微球的壁厚大約是其直徑的1%，這樣的空心結(jié)構(gòu)使其密度很低，這是其作為固體浮力材料核心的根本所在。在固體浮力材料中，空心玻璃微球的體積占比高達(dá)60%～70%，并直接影響浮力材料的最終性能。

無論是載人深潛器還是無人深潛器，完成任務(wù)后都要返回到海面，固體浮力材料就是保證潛水器“回家”的關(guān)鍵材料。那么，深潛器如何下潛和上??？固體浮力材料又是如何發(fā)揮作用的呢？

我們知道，只有滿足深潛器密度小于海水密度這個(gè)條件時(shí)，深潛器才會(huì)實(shí)現(xiàn)無動(dòng)力上浮。而在組成深潛器的各個(gè)子系統(tǒng)中，除了浮力材料之外，其他裝備的密度幾乎都是大于海水的。浮力材料的密度只有海水的一半左右，其作用就是把潛水器的密度降下來。通常，浮力材料的質(zhì)量會(huì)占到潛水器總質(zhì)量的三分之一左右，而占用的體積比例則會(huì)更大一些。

深潛器的下潛和上浮是通過調(diào)節(jié)自身的密度來實(shí)現(xiàn)的。在深潛器無動(dòng)力下潛時(shí)，為了保證深潛器的密度大于海水，需要在深潛器兩側(cè)配備一定質(zhì)量的壓載鐵。而在完成深海作業(yè)之后，就需要把壓載鐵拋掉，從而使得深潛器的密度小于海水，這樣才能啟動(dòng)無動(dòng)力上浮。

“蛟龍”號(hào)作為我國自行設(shè)計(jì)、自主集成研制的載人深潛器，下潛深度一步躍升為7000米。然而，“蛟龍”號(hào)使用的固體浮力材料全部依賴進(jìn)口。當(dāng)時(shí)國際上深海7000米級(jí)最先進(jìn)的固體浮力材料密度為0.481克每立方厘米，而外國賣給我國的浮力材料密度則為0.561克每立方厘米。

固體浮力材料對(duì)我國來說簡直就是“卡脖子”技術(shù)。20世紀(jì)50年代，美國、日本、蘇聯(lián)就開始研制空心玻璃微球。我國從20世紀(jì)90年代才開始研發(fā)固體浮力材料，比國外整整晚了40年，而且還要面對(duì)國外的技術(shù)封鎖，要實(shí)現(xiàn)固體浮力材料的國產(chǎn)化，面臨的挑戰(zhàn)無疑是十分嚴(yán)峻的。

浮力材料的先進(jìn)性是用給定承壓條件下的密度和吸水率來表示的。密度是浮力材料的核心指標(biāo)，密度越小，其浮力越大。吸水率也是影響浮力材料性能的一個(gè)重要指標(biāo)，浮力材料的吸水率越低，其浮力系數(shù)就會(huì)越穩(wěn)定。

研制深海固體浮力材料，關(guān)鍵是要突破空心玻璃微球核心技術(shù)。如何讓空心玻璃微球既輕又強(qiáng)，就是一個(gè)難啃的“硬骨頭”。所謂輕，指的是密度要??；所謂強(qiáng)，說的是抗壓性能要好。然而，萬米海深的壓強(qiáng)大約為110兆帕，幾乎相當(dāng)于把一輛轎車壓在一個(gè)指甲蓋上。一個(gè)脆弱的空心玻璃微球能耐得住如此高壓嗎？

近乎完美的球形薄壁結(jié)構(gòu)可以賦予其很高的抗壓強(qiáng)度。這是因?yàn)?，球形薄壁結(jié)構(gòu)在受到一個(gè)圍壓作用時(shí)，其拱形曲面可以抵消外力的作用，使得結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。當(dāng)然，影響空心玻璃微球強(qiáng)度的因素還有很多，如玻璃微球的原料體系以及制備工藝等。

深海固體浮力材料是由空心玻璃微球與樹脂基材經(jīng)熱固化成型而制得的。經(jīng)過無數(shù)次的試驗(yàn)和失敗，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所張敬杰帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)終于在2016年攻克了深海固體浮力材料的技術(shù)難題。2018年1月，該所為我國全海深載人潛水器研制的浮力材料進(jìn)行了定型測(cè)試。2020年11月28日，“奮斗者”號(hào)全海深載人潛水器圓滿完成萬米深潛海試任務(wù)，順利返回海南三亞，標(biāo)志著國產(chǎn)高性能玻璃微球托起了我國萬米載人潛水器的“浮力夢(mèng)”。

其實(shí)，空心玻璃微球的應(yīng)用并不局限于深海固體浮力材料?？招牟Ａ⑶蜃鳛閺?fù)合材料的關(guān)鍵原材料之一，除了輕量化之外，還具有化學(xué)穩(wěn)定、機(jī)械穩(wěn)定以及隔音隔熱效果，在航空航天、信息產(chǎn)業(yè)、石油開采以及民生領(lǐng)域也有用武之地。

玻璃光纖，信息時(shí)代的“神經(jīng)”

互聯(lián)網(wǎng)的誕生是人類科技發(fā)展史上的一個(gè)傳奇，其革命性意義無疑是十分深遠(yuǎn)的。令人難以置信的是，一束以二氧化硅為主要材料的玻璃光纖竟然把人類帶到了一個(gè)嶄新的信息時(shí)代。

基于光的通信由來已久，從烽火臺(tái)到光話機(jī)，都體現(xiàn)了光通信的重要性；但直到激光器和光纖的發(fā)明，才真正迎來了光通信的曙光。

1966年，高錕在一篇論文中首次提出玻璃纖維作為光波導(dǎo)用于光學(xué)通信的理論，并計(jì)算出了如何使光在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}。高錕因“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得的突破性成就，而分享了2009年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

光導(dǎo)纖維簡稱光纖，實(shí)際上就是一種透明度很高的石英玻璃絲，它是由芯子和包層組成的。芯子的直徑在10微米以下，主體材料為二氧化硅，并摻雜有少量五氧化二磷和二氧化鍺，其作用在于提高光的折射率。包層的直徑在100微米左右，是由純二氧化硅材料構(gòu)成的，或者摻雜有少量氧化硼或氟元素，其作用在于降低光的折射率。

從理論上講，一根頭發(fā)絲粗細(xì)的光纖可以同時(shí)傳送1000億對(duì)電話通話。有了這樣的通信系統(tǒng)，“地球村”就不再只是一個(gè)概念。為什么玻璃光纖能有如此“神功”？原來，現(xiàn)代的光纖通信主要運(yùn)用了光的反射原理，并把光的全反射限制在了纖細(xì)的光纖內(nèi)部，這樣就可以用光信號(hào)取代電信號(hào)來完成信息傳遞。

由于玻璃光纖的芯子和包層具有不同的折射率，因此經(jīng)過調(diào)制的激光信號(hào)可以不斷地在芯子和包層的交界處發(fā)生反射，從而在芯子內(nèi)部沿著“之”字形傳播。這樣的傳播路徑與光的直線傳播規(guī)律并不矛盾。因?yàn)楣庋刂本€傳播的法則并沒有改變，只是在傳播中發(fā)生了光的反射，所以從總體上看，光是以“之”字形折線形式前進(jìn)的。

光纖通信的發(fā)展過程并不是一帆風(fēng)順的。比如，減少光纖的損耗就是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。1955年，有人發(fā)明了一種用于診斷疾病的內(nèi)窺鏡。這種內(nèi)窺鏡就是用極細(xì)的光導(dǎo)纖維制成的，光線從光導(dǎo)纖維的一端射入，經(jīng)過連續(xù)反射從另一端射出。這種內(nèi)窺鏡最初被應(yīng)用于人體腸胃疾病診斷，但由于光信號(hào)衰減損耗很大，只能觀察到范圍有限的體內(nèi)情況。

光信號(hào)在光纖中的傳播衰減是由玻璃的純度和傳輸光的波長所決定的。所以，提高玻璃光纖材料的純度是降低光纖損耗的關(guān)鍵之一。1970年，世界上第一根低損耗的石英光纖誕生于美國康寧玻璃公司，傳輸損耗只有20分貝每千米，從而為光纖用于通信鋪平了道路。

1971年，世界上第一條1千米長的光纖問世。1981年，第一個(gè)光纖通信系統(tǒng)啟用。在此后的幾十年間，光纖網(wǎng)絡(luò)托起了國際互聯(lián)網(wǎng)的輝煌。

1994年4月20日，中國通過一條64千比特的國際專線全功能接入國際互聯(lián)網(wǎng)，標(biāo)志著中國互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的開啟。我國互聯(lián)網(wǎng)的跨越式發(fā)展，為我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展以及人們的智能生活提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

特別是4G的成熟和商用，讓我們步入了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。5G時(shí)代進(jìn)一步開拓了人們智能生活的新視野，并深刻影響著人們的生活方式。未來的6G時(shí)代，將會(huì)是一個(gè)更加智能的時(shí)代，我們期待美好明天的到來！

光熱發(fā)電

利用太陽能進(jìn)行發(fā)電，除了光伏發(fā)電，還有光熱發(fā)電。盡管光熱發(fā)電的形式多種多樣，但都有一個(gè)共同的核心部件——定日鏡。

所謂定日鏡，指的是反射太陽光的鏡子。我國建設(shè)的敦煌10兆瓦熔鹽塔式光熱發(fā)電站，是亞洲第一座可連續(xù)發(fā)電的光熱電站。在138.3米高的吸熱塔周圍，由5萬多片鏡子組成的1525面定日鏡，能夠?qū)μ柟膺M(jìn)行反射聚焦。這個(gè)定日鏡群就是盜取太陽“天火”的神器。當(dāng)定日鏡群把太陽光直接反射并聚焦到接收器時(shí)，可以把高熱流密度的輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，使其內(nèi)部的低溫熔鹽在瞬間升至幾百攝氏度的高溫。

制造定日鏡的材料就是鍍銀玻璃鏡。作為鏡子的基體，其所用玻璃為低鐵超薄超白玻璃，要求具有反射率高（90%以上）、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高、耐候性好、耐磨性好、使用壽命長等特點(diǎn)。鍍銀玻璃鏡的膜層結(jié)構(gòu)由鍍層（反射層）和涂層（保護(hù)層）組成。鍍層由銀層和銅層組成，銀層對(duì)可見光具有均勻的反射性能；銅層完全覆蓋銀層，是銀層上的一個(gè)保護(hù)層，作為過渡層還可降低銀和漆層間的內(nèi)應(yīng)力。涂層由一層或幾層漆層組成，主要作用是保護(hù)銀層和銅層。

由于光伏玻璃的工作環(huán)境往往很惡劣，會(huì)遭受風(fēng)雨塵沙的侵?jǐn)_。長此以往，玻璃表面很容易變臟，其后果往往是透光率降低，直接影響發(fā)電效率。因此，提高光伏玻璃的自潔能力至關(guān)重要。自潔光伏玻璃可以減少雨水、灰塵等對(duì)光伏電池板表面的污染。

玻璃材料，塑造風(fēng)機(jī)的“靈魂”

風(fēng)能作為一種清潔能源，已成為世界各國競相發(fā)展的新能源。2021年12月25日，中國三峽新能源集團(tuán)廣東陽江、江蘇如東、江蘇大豐海上風(fēng)電項(xiàng)目正式全容量并網(wǎng)發(fā)電，這是我國清潔能源加速發(fā)展的一個(gè)明確信號(hào)。

也許，風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)我們來說并不陌生。可是你一旦身臨其境，一定會(huì)為其感到震撼！我國自主研發(fā)的“海上巨無霸”——電網(wǎng)友好型海上風(fēng)電機(jī)組SL5000，風(fēng)輪高度超過了40層樓高，風(fēng)輪直徑長達(dá)128米，單機(jī)容量為5000千瓦。

風(fēng)力發(fā)電，風(fēng)機(jī)是關(guān)鍵。風(fēng)輪直徑大小取決于葉片的長度，而葉片長度在一定程度上決定著風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電水平及整機(jī)成本，因此葉片被譽(yù)為風(fēng)機(jī)的“靈魂”。這一點(diǎn)也不難理解，因?yàn)槿~片越長，掃風(fēng)面積才會(huì)越大，發(fā)電功率才會(huì)越高。

然而，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作環(huán)境惡劣，用什么材料制作葉片才能勝任工作呢？這是一個(gè)伴隨風(fēng)力發(fā)電演化歷史的首要問題。在風(fēng)力發(fā)電的早期，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉輪直徑比較短，葉片材質(zhì)大多采用的是木材。木質(zhì)葉片的弊端很多，如容易受潮變形，不易加工成型等。20世紀(jì)40年代，不銹鋼、鋁合金等材料取代木材被用作制造葉片。要知道，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片制造可是一個(gè)技術(shù)活，總體要求是剛度要大、強(qiáng)度要高、重量要輕。后來，有人用鋼材來搭建葉片的整體結(jié)構(gòu)，內(nèi)填泡沫塑料，外覆玻璃鋼蒙皮。

那么，什么是玻璃鋼呢？玻璃鋼是一種復(fù)合材料，它既有玻璃的成分但又具有鋼一樣的強(qiáng)度。在我們的印象中，玻璃是一種易脆的材料。殊不知，把玻璃熔化后拉成細(xì)絲那強(qiáng)度可就高了，甚至還可以織成布。這種玻璃絲就叫玻璃纖維。如果用各種樹脂作為基體，用玻璃纖維作為增強(qiáng)材料，就可以制成玻璃鋼制品了。如果把玻璃鋼比作鋼筋混凝土的話，玻璃纖維就相當(dāng)于其中的鋼筋，各種樹脂就相當(dāng)于其中的黏合劑水泥。

玻璃鋼的密度較低，只有鋼的四分之一左右，但強(qiáng)度很高，并且還具有良好的耐腐蝕性能。用玻璃鋼來制作葉片的蒙皮，不僅能滿足強(qiáng)度方面的要求，而且還能夠減輕葉片的重量。

1957年，德國的一名設(shè)計(jì)師首次把玻璃纖維復(fù)合材料應(yīng)用于葉片制造。據(jù)稱該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)輪直徑為34米。玻璃纖維復(fù)合材料葉片具有耐腐蝕、耐老化和彈性系數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，后來在葉片制造中得到了推廣普及。

從20世紀(jì)90年代開始，越來越多的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始建設(shè)。由于海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量通常要比陸上機(jī)組更大，因此對(duì)葉片材質(zhì)的選擇也更為苛刻。在這樣的背景下，碳纖維復(fù)合材料進(jìn)入了人們的視野。

相較于傳統(tǒng)的玻璃纖維復(fù)合材料葉片，碳纖維復(fù)合材料更具有競爭優(yōu)勢(shì)。如碳纖維復(fù)合材料葉片的重量更輕，一般葉片可降低30%～50%的重量。但是碳纖維的價(jià)格十分昂貴，并且生產(chǎn)碳纖維葉片還存在一定的技術(shù)難度。

目前，風(fēng)機(jī)葉片成本約占風(fēng)機(jī)總成本的20%。風(fēng)電葉片大型化、輕量化、低成本是大勢(shì)所趨。要論最高性價(jià)比，玻璃纖維復(fù)合材料仍然具有很大的應(yīng)用市場。

風(fēng)機(jī)葉片大多采用箱型或者工字型主承力結(jié)構(gòu)，使用輕質(zhì)材料可以降低葉片質(zhì)量。關(guān)于葉片選材，可以由幾種不同的材料組合而成，并通過調(diào)整其配比來獲得所需要的性能。如采用玻璃纖維、芳族聚酰胺和碳纖維織物的復(fù)合物制造葉片，來獲得足夠大的強(qiáng)度和耐用性，并且具有一定的成本優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)代風(fēng)機(jī)葉片不僅在制造材質(zhì)上不斷演進(jìn)，在結(jié)構(gòu)上也經(jīng)歷了從實(shí)心向中空的轉(zhuǎn)變。通常還會(huì)在風(fēng)機(jī)葉片的表面涂覆防護(hù)油漆或樹脂，以此來抵御風(fēng)、沙、雨、雹的侵蝕。

玻璃，這種古老的二氧化硅材料，為我們創(chuàng)造了一個(gè)透明的世界，并在人類的文明進(jìn)程中扮演了極其重要的角色。如今，玻璃并沒有因?yàn)闅q月的流逝而沒落。相反地，玻璃在與時(shí)俱進(jìn)的搏擊中獲得了更加旺盛的生命力。

從光伏玻璃到光纖通信，從光學(xué)玻璃到藥用玻璃，從玻璃纖維到電子玻璃……玻璃應(yīng)用的觸角在延伸，并有望為人類的可持續(xù)社會(huì)帶來更多的奇跡和驚喜！