我國是玻璃生產(chǎn)制造大國，自主知識產(chǎn)權(quán)的中國“洛陽浮法”是世界三大浮法工藝技術(shù)之一，產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的60%以上。但其中約八成是技術(shù)含量和附加值都較低的普通建筑玻璃，功能單一、不節(jié)能、不導(dǎo)電，也由此產(chǎn)生了建筑能源大量消耗、高檔建筑用低輻射玻璃全部依賴進口、光伏發(fā)電領(lǐng)域缺少重要基礎(chǔ)材料等系列問題。
“鍍膜，是浮法玻璃實現(xiàn)低輻射和透明導(dǎo)電功能的最優(yōu)途徑，但長期以來，我國沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的在線低輻射鍍膜技術(shù)和裝備?！睘樘嵘袊ＡУ膰H話語權(quán)，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院韓高榮教授帶領(lǐng)著國內(nèi)唯一長期穩(wěn)定從事浮法在線鍍膜技術(shù)研發(fā)的產(chǎn)學(xué)研團隊，開展了長達近二十年的科研攻關(guān)。
2020年，由韓高榮領(lǐng)銜的“浮法在線氧化物系列功能薄膜高效制備成套技術(shù)及應(yīng)用”項目，獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。團隊突破四大難點，取得四項重大技術(shù)發(fā)明，終于為中國玻璃穿上了高性能的“神奇外衣”，成功打破國際壟斷。
破工藝之難，令不可能成為可能
國際社會普遍認為，浮法工藝退火區(qū)不適合實現(xiàn)低輻射鍍膜，原因在于浮法玻璃工藝中退火區(qū)溫度低，有效鍍膜時間不足10秒，但是低輻射功能又要求膜厚大于300納米，因此玻璃在退火區(qū)內(nèi)的沉積速率必須大于30納米/秒才能滿足在線工藝的要求。
2001年起，韓高榮便下定決心：“國外另外兩大浮法玻璃生產(chǎn)工藝制備的低輻射玻璃對我們專利封鎖，我們就必須在洛陽浮法的工藝線上變不可能為可能！”
這份執(zhí)拗推動韓高榮帶領(lǐng)團隊突破難題，終于打破了國際上對浮法退火窯不適合作為鍍膜工藝區(qū)間的論斷。
第一個核心突破便是鍛造了“外衣”高效制備的工藝——
薄流層爆發(fā)形核快速沉積方法的發(fā)明。這一方法建立起流層厚度、沉積速率的定量關(guān)系，通過催化劑水含量和薄流層厚度的調(diào)控，將退火區(qū)內(nèi)的沉積速率從17納米/秒大幅提升至45納米/秒，超越了國外同類技術(shù)。
同時，在高速爆發(fā)形核下獲得的氧化物薄膜，由100~300納米的亞微米顆粒構(gòu)成，每個亞微米顆粒由上萬個5~10納米大小的晶粒取向聚集而成，具有典型的微納結(jié)構(gòu)特征，物理、化學(xué)穩(wěn)定性更加出眾，也為新型產(chǎn)品的誕生奠定了基礎(chǔ)。
破材料之難，新技術(shù)原創(chuàng)新產(chǎn)品
第二大難點在于產(chǎn)品，即在新工藝下生產(chǎn)出多功能低輻射的鍍膜玻璃。
根據(jù)基爾霍夫定律，輻射率越小，反射率越大，節(jié)能效果越好。同時，輻射率越小，載流子濃度和遷移率越大，導(dǎo)電性能越好。在現(xiàn)實的應(yīng)用場景下，中遠紅外低輻射功能要求材料載流子濃度高、遷移率大；近紅外遮陽功能要求對太陽輻照透過小；可見光高透功能則要求材料禁帶寬度大、折射率小。因此單一材料難以滿足多功能低輻射的要求。
據(jù)此，能夠滿足北方寒冷地區(qū)和南方夏熱冬冷地區(qū)節(jié)能要求的兩種鍍膜玻璃在項目中誕生了。
其一是項目組發(fā)明了高透低輻射玻璃鍍膜技術(shù)，輻射率低至0.13、透過率高達80%的高透低輻射鍍膜玻璃，是目前在線鍍膜玻璃產(chǎn)品最優(yōu)值，能夠滿足嚴寒地區(qū)的節(jié)能要求，實現(xiàn)了我國氧化物低輻射鍍膜玻璃產(chǎn)品從無到有的突破。
其二是項目組發(fā)明了遮陽低輻射玻璃鍍膜技術(shù)，制備了透過率可調(diào)（50%~80%）的水晶藍、水晶黃等系列鍍膜玻璃，兼具遮陽與低輻射功能，是國際首創(chuàng)的透過率可調(diào)的系列遮陽低輻射鍍膜玻璃產(chǎn)品，這種產(chǎn)品在團隊所處的杭州就特別適用。
韓高榮說：“氧化物薄膜的典型微納結(jié)構(gòu)特征十分有利于原位摻雜，我們原創(chuàng)的浮法在線原位摻雜和異質(zhì)多層復(fù)合調(diào)控技術(shù)為生產(chǎn)新產(chǎn)品提供了條件?！?/p>
破性能之難，在戰(zhàn)略領(lǐng)域新裝上陣
在浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程的國家重點實驗室里，光度式橢圓偏振光譜儀對項目組研發(fā)的每一片玻璃進行測試，以保證玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)與性能的穩(wěn)定。
在精密儀器的鏡頭下，我們看到了其中一款玻璃內(nèi)的全新結(jié)構(gòu)——被稱為“類金字塔型陷光結(jié)構(gòu)”。這種結(jié)構(gòu)正是項目組基于薄流層爆發(fā)形核快速沉積方法，引入了晶面調(diào)整劑與霧度調(diào)整劑，創(chuàng)建了晶面擇優(yōu)取向與霧度調(diào)控技術(shù)，可以滿足“神奇外衣”下太陽能電池的吸光要求。
在光伏發(fā)電這一戰(zhàn)略領(lǐng)域，具有導(dǎo)電率高、耐高溫、成本低特點的FTO透明導(dǎo)電玻璃是新興的重點產(chǎn)品。而在此項目之前，F(xiàn)TO鍍膜技術(shù)與產(chǎn)品一直被國外壟斷，制約了我國建筑光伏一體化等重點領(lǐng)域的發(fā)展。
項目組將其作為第三大突破方向，在成功獲得類金字塔型陷光結(jié)構(gòu)的同時，發(fā)明了夾層復(fù)合膜層透明導(dǎo)電玻璃技術(shù)。這是一種在國際上率先獲得的電阻率小，霧度可調(diào)、耐熱的新型透明導(dǎo)電玻璃產(chǎn)品，完全可以替代進口產(chǎn)品，滿足建筑光伏一體化對透明導(dǎo)電基板的要求。
更可貴的是，項目研發(fā)的高效節(jié)能和透明導(dǎo)電這兩類新產(chǎn)品，可對浮法玻璃生產(chǎn)線進行不停產(chǎn)、低成本改造，快速實現(xiàn)從普通浮法玻璃到高性能鍍膜玻璃的產(chǎn)品升級。
正如項目組在千禧年初立下的志愿，定要推動我國從玻璃大國向玻璃強國的轉(zhuǎn)變。
破量產(chǎn)之難，高效清潔更低成本
浮法退火區(qū)在線鍍膜面臨動態(tài)連續(xù)、復(fù)雜環(huán)境、大跨度、長周期等一系列嚴苛條件，大面積均勻高效鍍膜被國際同行視為技術(shù)“禁區(qū)”。韓高榮說：“針對這一挑戰(zhàn)，我們發(fā)明了浮法退火區(qū)在線鍍膜成套技術(shù)和裝備，解決了大面積均勻高效鍍膜難題?！?/p>
其成功的關(guān)鍵是發(fā)明了浮法退火區(qū)在線鍍膜的核心裝備，并同步開發(fā)了熱油循環(huán)、冷壁式石墨結(jié)構(gòu)、篩網(wǎng)均勻布氣等技術(shù)，實現(xiàn)了單日大面積連續(xù)均勻鍍膜達40000平方米，厚度偏差小于10納米，成分偏差小于1%，“神奇外衣”不再稀缺。
為保證清潔化生產(chǎn)，實現(xiàn)低成本，項目首創(chuàng)了主原料低溫冷凝回收與廢氣處理技術(shù)，將鍍膜原料利用率提高至75%，降低鍍膜成本三分之一，尾氣排放遠低于國家標準。
中國建筑材料聯(lián)合會在對項目驗收時這樣評價，項目成套技術(shù)和裝備“解決了膜層干涉著色、大面積顏色均勻性難控制的世界性技術(shù)難題”。
從基礎(chǔ)理論、核心技術(shù)、產(chǎn)品開發(fā)到關(guān)鍵裝備的全鏈條創(chuàng)造發(fā)明，韓高榮帶領(lǐng)團隊原創(chuàng)技術(shù)，打破壟斷；項目技術(shù)已在國內(nèi)外十余條浮法玻璃生產(chǎn)線轉(zhuǎn)化實施，在上萬項建筑工程推廣應(yīng)用，同類技術(shù)產(chǎn)品全球市場占有率約50%，累計新增銷售額52億元。
而項目技術(shù)利用浮法玻璃生產(chǎn)余熱，產(chǎn)品生產(chǎn)無二次能耗，高效環(huán)保。以鍍膜玻璃產(chǎn)品平均節(jié)能25%計算，每年減排二氧化碳約900萬噸，節(jié)約標煤約300萬噸，為我國建筑節(jié)能戰(zhàn)略的實施提供了重要支撐，必將為我國“雙碳”目標的實現(xiàn)做出貢獻。
（文字 周伊晨/攝影 朱原之/攝像 劉涵）
