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在稀土中寻求新材料制备之路 卓越性能填补国内空白
2020-11-04 10:15:07   来源:科技日报
内容摘要
记者11月3日从包头稀土研究院获悉,该院的最新研发成果——EASTO.1098断热稀土玻璃涂层(以下简称涂层)被认定为2020年内蒙古自治区级首批次新材料。“我们的材料之所以新,是新在了性能方面,它可以直接涂在玻璃表面,能够在3小时内快速降温,最高可调节温度7—15度,节能25%—40%。”包头稀土研究院天津分院院长温永清告诉记者。

记者11月3日从包头稀土研究院获悉,该院的最新研发成果——EASTO.1098断热稀土玻璃涂层(以下简称涂层)被认定为2020年内蒙古自治区级首批次新材料。“我们的材料之所以新,是新在了性能方面,它可以直接涂在玻璃表面,能够在3小时内快速降温,最高可调节温度7—15度,节能25%—40%。”包头稀土研究院天津分院院长温永清告诉记者。

据悉,这种涂层由包头稀土研究院与成都某科技公司合作研发,团队通过对三元稀土掺杂硼化物材料的制备研究与性能筛选,最终制备出稳定、高性能的稀土纳米复合断热涂料产品。该新材料在断热效果、便捷度及稳定性等方面均领先于目前市场上的玻璃贴膜、low-E玻璃及中空玻璃等同类产品。

需求:优化玻璃隔热性能大有“讲究”

我国《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》中曾提出,到2020年,我国城镇新建建筑能效将提高20%,绿色建筑面积比重超过50%,而建筑能耗的40%在玻璃门窗上,所以提高玻璃的隔热性能尤为关键。

“我们都知道,地球表面的热能主要来源于日照,太阳光的光谱主要集中于200-2500nm范围内,其中720-2500nm范围内均为红外线,其能量占太阳光总能量的一半;红外线是人眼不可见的,而在不影响可见光透过的条件下,将红外线有效阻隔,提高玻璃的隔热性能,是国内外技术研发的重难点之一,目前,高质量、高通透率的隔热涂膜的研发主要集中在美日等国家。” 包头稀土研究院高级工程师鲁飞介绍说:“虽然国内现有技术中对于太阳光的阻隔有多种方法,但各自都存在诸多问题。”

鲁飞用目前最为常用的建筑隔热玻璃是低热辐射玻璃(Low-E)为例给记者讲解了它的不足之处。据介绍,这类玻璃通过在普通玻璃表面镀层来实现隔热效果,但是产品在建筑外墙被大量使用后,虽然对建筑本身起到了良好的保温和隔热性能,但是会大量反射太阳光,并造成大量的光污染问题。人们长时间在光污染环境下工作,会导致视力下降,产生头晕目眩、失眠、心悸、食欲下降及情绪低落等症状,严重影响人身体和心理健康。另外,Low-E玻璃无法通过后期涂刷等方式使玻璃表面获得隔热能力,而且由于金属层的氧化,其表面层寿命远低于玻璃本身的寿命,这导致了Low-E玻璃无法作为用于存量建筑玻璃的升级改造。

鲁飞说:“此外,着色玻璃在吸热的同时也会吸收可见光,在实现隔热效果的同时会大幅牺牲可见光透过率,并呈现明显的颜色,这大大限制了其在如汽车前挡玻璃等需要高可见光透过场景的应用。”

记者还了解到,目前商业化应用最为广泛的红外吸收材料为铯钨青铜材料,具有很好的红外吸收效果,然而其在紫外线照射下会出现光致变色现象,而且在加热条件下会与水和氧气发生不可逆的氧化反应,生成三氧化钨,并丧失其红外吸收性能。

研发:在稀土中寻求新材料制备之路

从以上分析可知,传统Low-E玻璃和玻璃贴膜等产品的隔热原理是通过在普通玻璃表面镀层来实现隔热效果,镀膜后,Low-E玻璃可以对波长2500nm以上远红外线起到良好的反射作用,但也会造成污染。“基于以上问题我们认为,如果能研发出一种可吸收光子的新材料,这些问题就可以迎刃而解。”温永清说。

受局域表面等离子体共振(LSPR)现象的启发,研发团队研究发现,具有一定长径比的金纳米带,其表面电子可以与一定频率入射光子发生共振,并强烈吸收入射光子,只要通过对材料粒径和形貌的调控,就可以实现对红外光子的选择性吸收,也就可以做成红外线吸收材料。

鲁飞透露,研发团队制备的涂层以稀土硼化物为基础:“一方面,由于硼原子具有极强的电负性,其可以与稀土元素形成较强的作用力,使得最终形成的稀土纳米断热材料具有优异的耐酸碱性;另一方面,在形成的稀土纳米硼化物材料中,稀土元素自身的外层电子提供了大量自由电子,当入射光的光子激发时,自由电子与入射光子发生共振,从而在宏观上表现为吸热能力。”

此外研究人员发现,对稀土元素种类以及掺杂量进行调控,可以进一步控制入射光子发生共振的波长范围。利用这种方法,研发团队成功开发出了具有良好耐候性的高性能稀土纳米复合断热材料,完美解决了现有材料环境稳定性不足与无法对红外线进行光谱吸收的关键技术问题。

“我们开发的涂层,红、紫外线阻隔大于90%,可见光透过率大于等于70%,断热效果、便捷度及稳定性等方面均领先于玻璃贴膜、Low-E玻璃及中空玻璃等同类产品。”温永清介绍说,团队还以双银LOW-E中空玻璃和新产品的效果进行了对比,结果显示,在同等条件下,将双银LOW-E中空玻璃和涂有新材料玻璃分别放在红外灯前,前者玻璃红外线热值为3417,双银LOW-E中空玻璃紫外线值为4857,阻隔率为50%;而后者玻璃红外线热值为320,紫外线值为19.4,阻隔率达99.8%。

从得出的数据可以肯定,这种基于断热稀土技术的新材料在应用中表现出卓越的性能,即使是目前市面上性能优异的双银LOW-E中空玻璃,其隔热、防紫外线、和节能性也远落后于应用了这种新材料的玻璃。”温永清说。

应用:卓越性能填补国内空白

2019年11月,包头稀土研究院与成都科技企业合作建立断热稀土联合实验室,联合推进新型稀土纳米断热涂层的产业化进程,目前,新型稀土纳米断热材料及涂层产业制备技术已或关键技术突破,技术完善和产品制备进入中试阶段。

“现在我们已建成了国内首条月产800公斤稀土纳米断热浆料中试生产示范线,综合测试显示,新材料可实现节能25%—40%。”该企业负责人杨崛介绍,新开发的涂层材料性能指标有相当部分已经超过国外同类优质产品,填补了国内断热玻璃涂层新材料的空白,同时可完全替代进口产品。

那么涂有这种新材料的玻璃,用途究竟有多广?太阳热能主要通过红外线辐射存在,并拥有高温向低温传递的特性。因此,夏天室外高温会涌向室内,致使空调负荷增加,且红、紫外线能使人体皮肤产生灼热感;而新材料涂层可与200-400nm和700-2500nm范围内的光波发生等离子体共振效应,辐射热能无法穿透涂层,就能达到良好的隔热、防晒性能,同时,因阻断了辐射热能,室内温度无法快速持续升温,便减少了空调负荷,大大节约了空调费用,最终到了节能的目的。

而在冬季,室内热源发热的本质依然是红外光,是粒子内部振动向外传播电磁波,所以,发热电磁波根本无法有效穿透断热稀土涂层(等离子体共振),热源被大量的留在了室内,暖气升温更快,锁能、保温性就会更好,超级节能。

杨崛介绍说,新材料可以在很大程度上解决我国建筑领域的能耗问题:“我国建筑面积总量巨大,目前90%以上采用的是普通玻璃。按照近年来我国节能目标计算,平均每年新增断热玻璃约13.2亿平方米,稀土纳米断热材料的市场需求量巨大。产品上市后,可广泛运用于节能环保型汽车和节能型建筑玻璃上,能有效解决汽车和建筑内部温度高、空调能耗大等问题,产值亿元以上,同时,为我国节能环保事业做出巨大贡献。”

记者了解到,目前相关企业已经针对这种新材料及涂有新材料的产品建立了11家分公司,与全国10余个省份80多个城市签订了产品代理协议,今年预计可实现销售近3000万元。(记者 张景阳 通讯员 李宝乐)









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