“透明世界”，風景這邊獨好

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)成為我們這個社會的根基，離開了玻璃材料人類社會就會出現(xiàn)危機。

仔細梳理玻璃在人類文明進程中的角色和地位，你一定會發(fā)現(xiàn)“透明世界”的迷人風采！有了玻璃，人類醫(yī)學就多了一份保障，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，也許會改變我們對于玻璃包裝重要性的認識。

為了應對來勢兇猛的新冠疫情，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，對包裝瓶的要求極其嚴苛。畢竟疫苗要與包裝瓶直接接觸并儲存較長的時間，要求疫苗瓶不能與疫苗發(fā)生相互作用，否則就會直接影響藥品質(zhì)量和用藥安全。

按照國際標準，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，中硼硅玻璃因為性能優(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，加工過程中不易炸裂，機械強度高，抗沖擊性強。同時，中硼硅玻璃化學穩(wěn)定性好，耐酸、耐堿、耐水級別高，能保證藥品有效期。

在藥用玻璃領(lǐng)域，耐水性是一個非常重要的指標，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)生化學反應。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?；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)明就是一個玻璃包裝的成功案例。1795年的一天，拿破侖開出12000法郎的價碼征集食品貯藏法，以用于戰(zhàn)時士兵的食品補給。尼古拉·阿佩爾是巴黎一位經(jīng)營糕點食品的老板，擁有豐富的食品加工經(jīng)驗。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行實地試驗。幾個月后，拿破侖收到了一份由海軍司令簽署的鑒定報告，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。

在一個崇尚包裝的時代，玻璃作為包裝材料的地位日趨重要。玻璃以其光亮透明、化學惰性、不透氣、易成型等優(yōu)勢，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”

從“蛟龍”號到“奮斗者”號的海試成功，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?。抗腆w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條件時，深潛器才會實現(xiàn)無動力上浮。而在組成深潛器的各個子系統(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)自身的密度來實現(xiàn)的。在深潛器無動力下潛時，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，這樣才能啟動無動力上浮。

“蛟龍”號作為我國自行設計、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”號使用的固體浮力材料全部依賴進口。當時國際上深海7000米級最先進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。

固體浮力材料對我國來說簡直就是“卡脖子”技術(shù)。20世紀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，而且還要面對國外的技術(shù)封鎖，要實現(xiàn)固體浮力材料的國產(chǎn)化，面臨的挑戰(zhàn)無疑是十分嚴峻的。

浮力材料的先進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，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重要指標，浮力材料的吸水率越低，其浮力系數(shù)就會越穩(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，就是一個難啃的“硬骨頭”。所謂輕，指的是密度要??；所謂強，說的是抗壓性能要好。然而，萬米海深的壓強大約為110兆帕，幾乎相當于把一輛轎車壓在一個指甲蓋上。一個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度。這是因為，球形薄壁結(jié)構(gòu)在受到一個圍壓作用時，其拱形曲面可以抵消外力的作用，使得結(jié)構(gòu)更加堅固。當然，影響空心玻璃微球強度的因素還有很多，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)次的試驗和失敗，中國科學院理化技術(shù)研究所張敬杰帶領(lǐng)的研究團隊終于在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行了定型測試。2020年11月28日，“奮斗者”號全海深載人潛水器圓滿完成萬米深潛海試任務，順利返回海南三亞，標志著國產(chǎn)高性能玻璃微球托起了我國萬米載人潛水器的“浮力夢”。

其實，空心玻璃微球的應用并不局限于深海固體浮力材料?？招牟Ａ⑶蜃鳛閺秃喜牧系年P(guān)鍵原材料之一，除了輕量化之外，還具有化學穩(wěn)定、機械穩(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)展史上的一個傳奇，其革命性意義無疑是十分深遠的。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嶄新的信息時代。

基于光的通信由來已久，從烽火臺到光話機，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用于光學通信的理論，并計算出了如何使光在光導纖維中進行遠距離傳輸?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年的諾貝爾物理學獎。

光導纖維簡稱光纖，實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)絲粗細的光纖可以同時傳送1000億對電話通話。有了這樣的通信系統(tǒng)，“地球村”就不再只是一個概念。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用了光的反射原理，并把光的全反射限制在了纖細的光纖內(nèi)部，這樣就可以用光信號取代電信號來完成信息傳遞。

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。因為光沿著直線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”字形折線形式前進的。

光纖通信的發(fā)展過程并不是一帆風順的。比如，減少光纖的損耗就是一個極具挑戰(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)窺鏡就是用極細的光導纖維制成的，光線從光導纖維的一端射入，經(jīng)過連續(xù)反射從另一端射出。這種內(nèi)窺鏡最初被應用于人體腸胃疾病診斷，但由于光信號衰減損耗很大，只能觀察到范圍有限的體內(nèi)情況。

光信號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，第一個光纖通信系統(tǒng)啟用。在此后的幾十年間，光纖網(wǎng)絡托起了國際互聯(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)，標志著中國互聯(lián)網(wǎng)時代的開啟。我國互聯(lián)網(wǎng)的跨越式發(fā)展，為我國經(jīng)濟社會的發(fā)展以及人們的智能生活提供了強有力的技術(shù)支撐。

特別是4G的成熟和商用，讓我們步入了移動互聯(lián)網(wǎng)時代。5G時代進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時代，將會是一個更加智能的時代，我們期待美好明天的到來！

光熱發(fā)電

利用太陽能進行發(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行反射聚焦。這個定日鏡群就是盜取太陽“天火”的神器。當定日鏡群把太陽光直接反射并聚焦到接收器時，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)強度高、耐候性好、耐磨性好、使用壽命長等特點。鍍銀玻璃鏡的膜層結(jié)構(gòu)由鍍層（反射層）和涂層（保護層）組成。鍍層由銀層和銅層組成，銀層對可見光具有均勻的反射性能；銅層完全覆蓋銀層，是銀層上的一個保護層，作為過渡層還可降低銀和漆層間的內(nèi)應力。涂層由一層或幾層漆層組成，主要作用是保護銀層和銅層。

由于光伏玻璃的工作環(huán)境往往很惡劣，會遭受風雨塵沙的侵擾。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、灰塵等對光伏電池板表面的污染。

玻璃材料，塑造風機的“靈魂”

風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廣東陽江、江蘇如東、江蘇大豐海上風電項目正式全容量并網(wǎng)發(fā)電，這是我國清潔能源加速發(fā)展的一個明確信號。

也許，風力發(fā)電機對我們來說并不陌生?？墒悄阋坏┥砼R其境，一定會為其感到震撼！我國自主研發(fā)的“海上巨無霸”——電網(wǎng)友好型海上風電機組SL5000，風輪高度超過了40層樓高，風輪直徑長達128米，單機容量為5000千瓦。

風力發(fā)電，風機是關(guān)鍵。風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電機組的發(fā)電水平及整機成本，因此葉片被譽為風機的“靈魂”。這一點也不難理解，因為葉片越長，掃風面積才會越大，發(fā)電功率才會越高。

然而，風力發(fā)電機的工作環(huán)境惡劣，用什么材料制作葉片才能勝任工作呢？這是一個伴隨風力發(fā)電演化歷史的首要問題。在風力發(fā)電的早期，風力發(fā)電機的葉輪直徑比較短，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，風力發(fā)電機的葉片制造可是一個技術(shù)活，總體要求是剛度要大、強度要高、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？玻璃鋼是一種復合材料，它既有玻璃的成分但又具有鋼一樣的強度。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絲那強度可就高了，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，玻璃纖維就相當于其中的鋼筋，各種樹脂就相當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，德國的一名設計師首次把玻璃纖維復合材料應用于葉片制造。據(jù)稱該風力發(fā)電機的風輪直徑為34米。玻璃纖維復合材料葉片具有耐腐蝕、耐老化和彈性系數(shù)高等優(yōu)點，后來在葉片制造中得到了推廣普及。

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

相較于傳統(tǒng)的玻璃纖維復合材料葉片，碳纖維復合材料更具有競爭優(yōu)勢。如碳纖維復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，風機葉片成本約占風機總成本的20%。風電葉片大型化、輕量化、低成本是大勢所趨。要論最高性價比，玻璃纖維復合材料仍然具有很大的應用市場。

風機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合物制造葉片，來獲得足夠大的強度和耐用性，并且具有一定的成本優(yōu)勢。

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

玻璃，這種古老的二氧化硅材料，為我們創(chuàng)造了一個透明的世界，并在人類的文明進程中扮演了極其重要的角色。如今，玻璃并沒有因為歲月的流逝而沒落。相反地，玻璃在與時俱進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，從光學玻璃到藥用玻璃，從玻璃纖維到電子玻璃……玻璃應用的觸角在延伸，并有望為人類的可持續(xù)社會帶來更多的奇跡和驚喜！