浅谈硼硅酸盐玻璃的应用现状和发展趋势

浅谈硼硅酸盐玻璃的应用现状和发展趋势
安徽蚌埠233000
王寒生
摘要：硼硅酸盐玻璃具有良好的热稳定性和化学稳定性，已在仪器玻璃、器皿玻璃等领域得到了广泛应用；随着玻璃熔制工艺和耐火材料的发展，硼硅酸盐玻璃将在更多的领域得到应用。

本文结合实际生产和应用情况，概括和总结了硼硅酸盐玻璃的应用现状和发展趋势。

关键词：硼硅酸盐玻璃、性能、应用现状、发展趋势
一引言
硼硅酸盐玻璃是指基本成分为SiO2：、B2O3。

、Na20的玻璃，基本组成范围是：(SiO2)一70％～80％、(B203)一6％～15％、(Na20)一4％～10％、(A120。

)一O～5％、(Ba0)一0～2％、(Ca O)=o～2％。

几种典型的代表成分如下：硼硅酸盐玻璃几种典型代表成分研究表明[1_2]，其中Na。

O提供游离氧，使硼氧三角体[BO。

]转变为硼氧四面体[B2O3]，硼的结构由层状转变为架状，为B203。

与SiO2：形成均匀一致的玻璃创造条件；B2O3。

以[B2O3]或[B2O3]进人玻璃结构，尤其是当其以[B2O3]与[SiO2。

]共同组成结构网络时，使网络完整性和紧密程度增加，因此硼硅酸盐玻璃具有许多优良的性能：如良好的热稳定性和化学稳定性、机械性能和工艺性能好、优良的光学性能等。

硼硅酸盐玻璃与普通钠钙硅玻璃相比，在许多方面有其优越性：
（1)热学性能
硼硅酸盐玻璃由于其高含量的SiO2：与B2O3。

使得其网络完整性和致密度较普通钠钙硅玻璃好，具有优良的热学性能。

如其热膨胀系数一般小于60×10_7／℃，而普通钠钙硅玻璃约为(90～100)×101／℃；硼硅酸盐玻璃耐热冲击性△T一般大于150℃，被称为硬质玻璃或特硬玻璃，普通钠钙硅玻璃则小于100℃。

因此硼硅酸盐玻璃具有较好的热稳定性，可被应用于器皿炊具、建筑防火等领域。

(2)光学性能
原料纯、混合均匀和加工精密，加之本身的优良性能，导致硼硅酸盐玻璃具有较高的透光率。

较好的透光性能、较高的表面平整度和较低的荧光性能，使得硼硅酸盐玻璃可被应用在电泳、光学、光子学和光电学等领域。

由于硼硅酸盐系统比硅酸盐系统对稀土氧化物的溶解能力大，玻璃形成范围相对较广，因此稀土硼硅酸盐系统成为人们研究稀土光学玻璃的主要系统。

研究表明[3]，含镧硼硅酸盐玻璃系统可有望作为发展高密度玻璃的系统。

(3)机械性能
硼硅酸盐玻璃不仅具有较高的抗热冲击强度，还具有较高的表面硬度‘4|，可以防止刮痕；同时，其密度比普通钠钙硅玻璃低12％左右(硼硅酸盐玻璃一般为2．3 g／cm3，钠钙硅玻璃一般为2．5 g／cm3)。

这些显著的优势意味着硼硅酸盐玻璃将得到许多重要的应用，如用作建筑尤其是高层建筑用玻璃，将大大降低整体建筑物的重量，这也符合现代建筑发展的轻质高强方向；还可用作防弹玻璃和装甲车玻璃等。

此外，由于其强度高、重量轻、键合强度高，如果将其应用在需要叠层、夹层的领域时，会极大地降低成本、体积和重量。

(4)化学性能
硼硅酸盐玻璃除了具有良好的抗酸抗碱性，它还具有相当好的抗水解性，比钠钙硅玻璃高两个等级。

它可以抵抗空气中的水蒸汽，甚至含液态酸或碱的水的侵蚀。

而钠钙硅玻璃则不同，会明显地受到侵蚀。

特别是对于玻璃表面的微裂纹，硼硅酸盐玻璃不会由于潮湿空气中的水分子作用而引起裂纹扩张，因而表现出较好的水稳定性，而钠钙硅玻璃
则不同。

二应用现状
如前所述，由于硼硅酸盐玻璃具有许多独特优异的性能，该系统的玻璃得到了广泛的应用和发展，可按应用领域来划分。

2．1仪器玻璃
仪器玻璃是指用于制造化学、生物和实验室器皿、管材和装置的玻璃。

仪器玻璃已被广泛用于科研、文化教育、化工、医药卫生及各种工业生产以及宇航、激光、生物工程、核工程等高新技术领域。

对仪器玻璃，其要求是：化学稳定性好、热稳定性好、机械强度高、工艺性能好等。

而这正好与硼硅酸盐玻璃具有的优良性能相吻合，此类玻璃具
有较高含量的SiO2。

与B2O3。

仪器玻璃种类繁多。

按其性能、用途和工艺可分为：①化学器皿：如烧杯、烧瓶、曲颈瓶、蒸发皿等；②物理、化学仪器：如微量蒸馏烧瓶、微量蒸馏管、分馏管、试管等；③厚壁制品：如酒精灯、钟罩、干燥器、水槽等；④量器：如沉淀管、量筒、量杯、滴定管等；⑤温度计制品：如温度计、比重计、酒精计等。

2．2器皿与炊具玻璃
玻璃器皿是玻璃工业的一个重要分支，基本属于压制和吹制类玻璃制品，其产量仅次于平板玻璃和瓶罐玻璃而位居第三。

其特点是：透明度高、颜色艳丽、富有光泽、热稳定性和化学稳定性好、机械强度高。

其中玻璃炊具要求抗热冲击性好，一般在150℃以上才能直接用明火加热。

用于玻璃炊具的玻璃主要有硼硅酸盐玻璃和微晶玻璃两大类。

它们的特点是热膨胀系数低(一般在40×10_7／℃以下)、抗热冲击强度高(一般在150℃以上)。

除用于炊具外，它还用于电炉的面板、微波加热器的顶板等厨房用加热部件。

2．3药用玻璃
药用玻璃是医药包装行业的一个主要分支，也是整个医药工业的一个重要组成部分。

药用玻璃通常是指较高化学稳定性的中性玻璃。

它要求化学稳定性高、密封性好、机械性能强等，此类玻璃以硼硅酸盐玻璃为主。

几种主要的药用玻璃为：
(1)安瓿玻璃。

指灌装针剂或药粉用的细颈薄壁玻璃小瓶。

安瓿玻璃最为重要的是它的化学稳定性，这种玻璃的基础组成为硼硅酸盐玻璃。

水针剂主要为安瓿玻璃，目前国内市场年需求量为290亿支，我国医药针剂将以每年5％的速度增长，2010年将达到375亿支，10％～
15％的针剂需要耐强酸、强碱及避光的安瓿。

(2)输液瓶，又称盐水瓶。

其化学组成以铝硼硅酸盐或低硼硅酸盐玻璃为主。

主要用来盛装生理盐水、葡萄糖溶液等药液，要求这种药瓶具有良好的中性，一定的抗热震性和机械强度。

(3)注射器玻璃。

通常以铝硼硅酸盐玻璃制造，使用前必须经高压蒸气消毒灭菌，以防止细菌感染。

因此，要求注射器玻璃具有良好的耐热性能和较好的化学稳定性。

2．4眼镜玻璃和视镜
光致变色玻璃一般分为均相型和异相型两大类，异相型光致变色玻璃形成系统十分广泛，其组成主要为硼硅酸盐玻璃。

光致变色玻璃最普遍用作眼镜玻璃，以外，也可以用于汽车防护玻璃、激光防护、航天器的窗口材料、新型仪器的开关等。

工业玻璃视镜是在一定温度和压力条件下使用的透视窗口玻璃，具有透明度高、耐温、耐压、化学稳定性好等特点。

目前研制生产的玻璃视镜有“无碱铝硅玻璃视镜”、“硼硅酸盐玻璃视镜”、“石英玻璃视镜”三大系列，数个品种。

工业玻璃视镜广泛用于石油、化工、医药等行业的管道、阀门、裂解炉、储液罐等压力容器和仪器仪表。

2．5玻璃纤维
生产玻璃纤维用的玻璃不同于其它玻璃制品的玻璃。

目前国际上已经商品化的纤维用的玻璃成分主要有4种：E一玻璃，亦称无碱玻璃；C一玻璃，亦称中碱玻璃；A～玻璃，亦称高碱玻璃；E—CR玻璃，是一种改进的无硼无碱玻璃。

目前应用最广泛的一种玻璃纤维是被称为E一玻璃的一种硼硅酸盐玻璃，它具有良好的电气绝缘性及机械性能，广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维，也大量用于生产玻璃钢用玻璃纤维，它的缺点是易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境。

2．6玻璃鳞片防腐蚀涂料
采用玻璃鳞片制成的重防腐蚀涂料，在国外60年代就使用在各重大防腐工程上，收到良好的防腐效果，引起了世界各国涂料专家的广泛注意。

玻璃鳞片美国欧文斯——康宁公司(Owens Corning)发明，1957年获得了玻璃鳞片及其涂料的第一个专利。

据有关资料介绍[5]，制鳞片用的玻璃一般采用硼硅酸盐玻璃。

之所以选用硼硅酸盐玻璃，是因为其良好的化学稳定性，尤其是耐酸耐碱性好。

2．7．太阳能真空集热管
国内已有年产200万支太阳能真空集热管的厂家，它是通过一流的高新技术和设备，以高硼硅玻璃3．3(特硬料)为材料，采用具有国际先进水平的溅射选择性吸收涂层工艺，该产品具有吸收率高、强度好、抗冰雹冲击、耐酸碱、保温性能好等特点，各项技术指标和性能均居国内领先水平，使用寿命长达15年以上。

以全玻璃真空太阳集热管为吸热元件研制的太阳能热水器产品，对太阳光有极高的吸收率(93％以上)和极低的热发射率(6％以下)，对热传导、热损失率降到最低限度。

3发展前景和趋势
硼硅酸盐玻璃具有许多优良的性能，但在普通池炉熔化硼硅酸盐玻璃时，存在一些问题‘6|：熔化温度高、黏度大、澄清时间长，硼易挥发、分层和分相等。

尤其是熔化温度高、黏度大Ⅲ、腐蚀性大等特点导致其难以满足浮法成形工艺，这些问题极大地限制了其优良性能的完全发挥和大规模的应用；同时也对耐火材料和加热元件提出了更高的要求。

随着耐火材料性
能的提高、玻璃电熔窑技术嘲的发展以及玻璃加工技术的进步，将使浮法生产硼硅酸盐玻璃技术得到迅速发展，使其优异性能得以充分发挥成为可能，其应用领域将得到极大的拓宽和深入。

3．1显示器玻璃
平板显示器已经成为人们日常生活的一部分。

难以想象，如果没有显示器，我们的信息交流和技术操作将如何实现。

从手表盘、温度仪和指示仪、通讯终端设备，如传真机、移动电话到台式计算机和电视机设备，硼硅酸盐玻璃都得到或即将得到广泛的应用。

全国性建材科技期刊——《玻璃》2004年第5期总第176期
尤其是液晶显示器(LCD)现在已成为平板显示器中的新宠儿，并已经成为一种潮流。

所有
这些显示器的一个共同点是：使用的玻璃基片必须是高质量、薄厚度的特殊玻璃，并且在此玻璃片上能进行精密存储。

对此玻璃基片的要求高、标准严、几乎无缺陷(<50”m)并且表面平整度高；热膨胀系数与晶体功能层相匹配，不含碱金属，优良的化学稳定性，最重要的是热稳定性。

伴随玻璃加工技术的发展，显示器玻璃将向着大尺寸、薄厚度的方向发展，这些要求只有通过浮法技术才能得以实现。

液晶显示(LCD)器件是一种本身不发光的平板显示(FPD)器件。

因为液晶本身不发光，因此LCD器件需通过外来光源实现透射或反射显示。

在开发LCD用有机LED(OLED)背光源方面口⋯，英国牛津大学A．Mo.stey等人以硼硅酸盐
玻璃为基底玻璃开发出了一种绿光、两种蓝光的LCD用OLED背光源器件，具有响应速度快、耐冲击、亮度高、工作温度范围宽等优点。

3．2建筑用防火玻璃
建筑用防火玻璃德国是欧洲最早研制生产防火玻璃的国家之一，以其生产浮法硼硅酸盐透明钢化防火玻璃而著称于世界。

德国的Schott公司制造的Pyrans防火玻璃产品，是世界上唯一的用浮法工艺生产的单片硼硅酸盐防火玻璃，它集优良的抗热冲击性能及浮法玻璃极好的光学性能于一身，提供近乎完美的视觉效果，不仅在本国市场，而且在欧洲各国均受到
欢迎。

该产品的特点是所用玻璃基片均为经过钢化处理后的透明硼硅酸盐玻璃。

为此，该防火玻璃与其他类防火玻璃相比较，更具有较低的热膨胀系数，其防火能力一般可达60～120 min以上，甚至在1000℃高温辐射下，仍具有防火能力口¨。

其产品规格较多，有5 mm、6．5 mm、7．5 mm、10 mm、12mm等；并通过了英国标准BS6206，即用一45kg的袋子从457 mm 高垂直落在玻璃表面而不破裂，这是为了保证人在撞击玻璃时的安全问
题[12]。

随着现代建筑对安全防火要求的提高，单片硼硅酸盐防火玻璃将在世界范围内得到更加广泛的应用和发展。

3．3光电池
资源与能源问题已经成为当今世界各国高度重视的问题，光电池作为一种可再生能源将成为21世纪的关键技术。

目前，在光电材料中硅晶片仍然占据主导地位。

然而，其价格非常昂贵，长远来看，它不可能大规模、大尺寸地生产。

因此，光电池的发展趋势将是高效能薄膜太阳能电池，即减少层数和厚度，以此来降低成本。

也就是说，将采用一层基片玻璃和一层覆盖玻璃。

此基片玻璃要求能承受相当程度的热负荷(550～630℃)，能抵制化学侵蚀，此外还要满足机械强度要求等。

而硼硅酸盐玻璃的良好的热膨胀性和热稳定性可以与无定形的硅晶片相匹配。

4总结与展望
综上所述，硼硅酸盐玻璃以其优异的性能得到了广泛地应用和发展，其应用领域从实验室用
仪器玻璃到建筑用防火玻璃；从日常生活用器皿炊具玻璃到特种显示器玻璃；从普通化工领域到精密光电学领域，领域之广、范围之深是其它品种玻璃所不可比拟的。

伴随着玻璃熔化技术的提高，玻璃成形加工技术的进步，硼硅酸盐玻璃将会得到更大的发展和应用。

硼硅酸盐玻璃的应用可以说才刚刚起步，其巨大的发展前景是普通钠钙硅玻璃所无法比拟的。

今后硼硅酸盐玻璃将朝着多规格、大尺寸、多功能、高质量、大规模的方向发展。

世界各国科技工作者已经对硼硅酸盐玻璃给予了极高的关注，伴随着人们对玻璃的要求和需求不断上升，硼硅酸盐玻璃将在玻璃行业中扮演重要的角色。

参考文献
[1]陈金方编著，孙承绪审校．玻璃的电熔窑与电加热．
[2]王承遇，主编．日用玻璃．武汉工业大学出版社，1976
[3]西北轻工业学院，主编．玻璃工艺学．中国轻工业出版社，1982
[4]姜淳，张俊洲，干福熹．x射线激发Ce3+掺杂硼酸盐玻璃的闪烁发光．功能材料，2000，3.1(增刊)：103—105
[5]许求鑫．硼硅酸盐玻璃鳞片研制开发概况．上海涂料，2002(4)：8—10
[6]沈长治，杨厚德．关于池炉熔化硼硅玻璃的一些问题．玻璃与搪瓷，1980，9(3)：9—13 2 11。