玻璃是人类社会发展的重要基础材料,在建筑建材、交通运输、信息显示、航空航天、国防军工等方面完美地融入了人类生活。联合国把2022年设立为国际玻璃年,是联合国首次以单一材料来命名的年份。随着科学技术的发展和人民生活水平的提高,先进玻璃材料在各个领域的重要作用日益凸显。
先进玻璃材料研发热点
一、信息显示玻璃材料
随着新一代信息技术的快速发展,新型显示与5G通讯、AI、智能汽车等深度融合,加快向大型化、薄型化、高清化发展,已成为我国万亿级战略性新兴产业。TFT-LCD、OLED等新型显示用玻璃基板品质要求高、生产技术复杂、工艺难度大,代表着全球现代玻璃规模化制造领域的最高水平。攻克高世代超薄玻璃基板关键技术与装备难题,迫在眉睫,意义重大。二、光子功能玻璃材料
具有特定的线性和非线性光学应用的新型玻璃组分和结构是构建玻璃基光量子芯片的材料基础;建立超短脉冲激光与无机玻璃相互作用的唯象模型,设计并构筑各类波导、等离激元、光子晶体等微纳结构,实现用于全固态全光元器件、光量子玻璃芯片的全光调制、电光调制、逻辑运算等各种功能,为面向下一代光通信、量子计算等前沿领域等重大需求提供技术支撑。三、智能功能玻璃材料
2020年全国建筑运行阶段能耗10.6亿吨标准煤,占全国能源消费总量的21.3%,排放21.62亿吨CO2,占全国碳排放总量的21.7%。实现 “双碳”环境目标,亟需发展下一代高效节能玻璃技术。基于外场驱动变色的智能玻璃——Smart Window,公认为建筑节能玻璃研发的一个里程碑。近年来在全无机电致变色玻璃、高性能可见光-近红外分段调控的双频电致变色玻璃、一体式大面积电致变色玻璃材料和技术正在成为产业关注的热点。四、先进玻璃材料低碳制造技术
在国家“双碳”战略实施背景下,针对先进玻璃材料工业低碳绿色发展的需求,开展低碳原料配方体系、先进玻璃材料制造的新型低碳能源系统和碳捕集及资源化再利用的研究,突破玻璃生产工艺过程中低碳原料替代、低碳流程再造、熔窑绿氢燃烧、碳捕集和转化再利用一体化等系列减碳、零碳关键技术。创新先进玻璃工业颠覆性低碳制造技术,为我国先进玻璃工业的“零碳”升级发展目标提供有力技术支撑。五、先进玻璃材料制造核心装备
面向信息显示、新能源、半导体等领域先进玻璃材料自主制造的重大需求,开发高世代OLED玻璃用气电复合加热熔窑、弥散增强贵金属通道、长程高温成形锡槽、精密温控退火窑、超净超平精密面研磨等核心装备,柔性玻璃一次成形“展平-下拉”工艺的熔、制、退火关键装备,高韧超强微晶玻璃下拉-压延成形、晶化装备,空间工程用大尺寸曲面特种玻璃的模压成形装备,光伏薄型玻璃的物理强化装备,半导体领域用高纯石英玻璃化学气相沉积、匀化、渗氢装备,低碳氢能燃烧及熔窑系统,为实现先进玻璃材料自主制造提供关键装备支撑。先进玻璃材料国内外研发态势
国际上已经形成以企业为核心的创新模式。美国康宁公司的苏利文研发中心设有全世界规模最大、最完善的玻璃材料及工业技术研发基地,以正向研发为主体实现对玻璃相关领域全面覆盖,能针对新兴领域需求快速开发产品并进行技术迭代,支撑了康宁公司当前在电子玻璃领域的国际垄断地位。德国肖特集团美因茨研究中心主要专注于光刻机玻璃、柔性电子玻璃、低膨胀玻璃和微晶玻璃等专门技术产品,其在半导体器件、航空航天等领域具有显著技术优势。日本AGC主要专注于规模效益显著的电子玻璃、交通玻璃及低碳领域。法国圣戈班集团以先进建筑玻璃、安全玻璃为核心业务。日本NEG仅聚焦于电子玻璃领域。此外,德国蔡司在玻璃精密加工领域拥有独特的技术优势。在高等院校与研究机构方面,研究力量主要包括美国宾夕法尼亚州立大学、北德克萨斯州立大学、英国谢菲尔德大学、法国蒙彼利埃大学、丹麦奥尔堡大学、德国耶拿大学、卡尔斯鲁厄理工学院、西班牙国际科学院马德里玻璃与陶瓷研究所、巴西圣卡洛斯联邦大学、日本东京大学等。他们主要由大学教授领导的课题组构成,围绕玻璃的结构理论、大数据模型、分子动力学模拟、热动力学、玻璃工艺、功能薄膜玻璃、溶胶凝胶玻璃、微晶玻璃、特种功能玻璃和3D打印玻璃等领域中的某一个或几个方向开展基础研究和应用基础研究,为发达国家的优势企业提供技术储备。国内从事先进玻璃材料研究的机构以研究院所和高校为主。中建材玻璃新材料研究院已成为国内本领域最大的前沿技术综合研发体,集理论创新-技术创新-装备开发-工程实践能力于一体,涵盖信息、能源、交通、空天、半导体、生物等领域玻璃材料,在国内玻璃科学研究领域呈现明显的头部集聚效应。武汉理工大学主要围绕特种微晶玻璃、电子玻璃、MOF玻璃、玻璃表面功能化等前沿方向开展基础研究和应用基础研究;浙江大学主要关注于材料基因组、数值仿真、玻璃表界面研究与技术开发;中国科学技术大学聚焦于能源玻璃、玻璃结构理论;北京大学深圳研究生院开展先进玻璃复合交叉材料研究;北京工业大学主要从事电子玻璃、玻璃性能检测与标准开发;华东理工大学的研究领域主要在封接玻璃方面;华南理工大学主要从事发光玻璃的研究;东华大学主要研究方向是玻璃纤维;陕西科技大学主要从事轻工器皿玻璃的研究。中科院上海光机所、西安光机所、杭州光机所、长春理工大学、昆明理工大学、安徽师范大学等的课题组则以光学玻璃、光纤为主要研究方向。企业方面,主要有福耀集团、洛玻集团、中国建筑材料科学研究总院、南玻集团、信义玻璃、彩虹集团、成都光明光电等,其中:福耀集团以汽车玻璃制造为核心业务,具有全球领先优势;洛玻集团主要从事新能源玻璃和电子玻璃研发制造;南玻集团、信义玻璃与福莱特集团以太阳能玻璃、节能玻璃制造为主;中国建筑材料科学研究总院以石英玻璃的研发为重点;彩虹集团、东旭集团主要从事电子玻璃生产制造;成都光明光电主要从事光学玻璃的研发制造。