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将玻璃镀膜做到极致
发布时间:2019-12-26 09:28:02    信息来源:中国科学报  点击:12113次
看上去普普通通的一块窗玻璃,里面能有多少科技含量?很多人可能从来都没有想过这个问题。

但中国建筑材料科学研究总院教授、国家玻璃深加工工程技术研究中心
首席科学家、绿色建筑材料国家重点实验室副主任汪洪却想了20年。现代窗户上的玻璃早已不仅仅是为了防风挡雨,通过高科技手段给玻璃镀上不同的薄膜,能够实现节能、防晒、除霜、防雾等诸多功能,这些高性能镀膜玻璃产品,已成为降低建筑能耗、充分利用可再生能源的重要材料。

多年来,汪洪先后提出了镀膜产品开发流程、数字化设计与智能化制造技术系统构想,并带领团队面向镀膜玻璃行业共性问题,自主开发了相应的整套技术及软硬件装备,提高了行业设计、制造的整体水平。他结合国外的工作经验与国内镀膜行业现状,与刘静、余刚等团队骨干一起,从基础做起,一步一个脚印,走出了一条自主发展的道路,将玻璃镀膜技术做到了极致,诠释了科学技术中的“工匠精神”。

小玻璃的大问题

“汪博士,您快帮我们瞧瞧,这同一批玻璃,安装在同一座楼上,怎么颜色还不一样啊?”

2010年,汪洪刚回国不久,被一个厂商请去查看他们生产的镀膜玻璃产品。望着眼前“五颜六色”的玻璃,他突然意识到,中国镀膜玻璃产业的问题真的不少。

早在20世纪70年代末、80年代初,欧美国家就开始通过玻璃镀膜来实现建筑节能;而我国则大约从80年代末至90年代开始,以引进国外产品、技术,购买设备等形式进入到该领域。

“我国镀膜技术的进步一直以来是市场驱动、企业引领。一批大型玻璃企业对我国节能镀膜玻璃的普及和镀膜技术水平的提高做出了巨大的贡献。但是,从经济学的角度讲,企业需要在市场竞争中追求最大化的利润,因此企业对行业技术进步的推动往往体现在与市场结合紧密、能够快速带来经济效益、可以‘直接拿来’的新技术或新工艺上。经过20多年的发展,我国镀膜产品和技术虽然实现了从无到有的转变,但是国内平板玻璃镀膜行业与国外相比普遍存在材料基础研发欠缺、膜系设计以仿照国外同类产品为主、产品开发和生产工艺控制缺乏系统理论指导与相应软件支持、主要依赖技术人员经验等问题,在引进技术、产品、设备时消化不透,知其然不知其所以然,这些综合因素导致了我国高性能、高附加值镀膜产品少,产品质量、生产稳定性与一致性等与国外有较大的差距。”汪洪说。

然而,我国镀膜行业中小企业居多,从经济效益、成本等出发,经常是只学了个皮毛就开始生产。所以,即使我国已拥有了上百条镀膜线,居世界第一,却依然存在着效率低下、产品性能偏低的问题。即使具有一定研发能力的企业,也往往是在国外技术的框架下,调整一下参数,做一些产品线上的延伸,业内称为“二次开发”,基础上的创新很少。

在汪洪看来,我国镀膜行业只有针对行业现状,系统地建立自己的技术体系,注重基础材料研发,注重原始创新,才能彻底摆脱目前仿照国外、亦步亦趋的局面。“对于这些工作,作为引领行业进步的科研院所,我们责无旁贷。”他决定带领团队从数字化设计与智能化制造入手,整体提升我国镀膜产品设计、开发与工艺的水平,做一套中国人自己的系统,并最终开发出能够比肩国际先进水平的节能镀膜玻璃产品。

向“世界上最好的买家”说不

起初,这个想法并不是没有人质疑。不少人跟他说,既然市场上有成熟产品,为什么不直接买现成的来用?

“我们是能买现成的。可如果永远买,就意味着永远要依赖别人,也意味着永远也别想超过别人。”汪洪说,“如果我们没有自主创新能力,最多只能做世界上最好的买家;如果地基的土都是松的,就无法把大楼盖得坚固。”

凭借着这份初心,在中国建材总院的支持下,汪洪带领团队从零开始,通过自主软硬件开发与集成,一步一步去构建一套完整的数字化设计与智能化制造技术国产化系统,内容涵盖了玻璃镀膜材料基础研发、膜系设计、在线检测、工艺控制、生产管理的全过程,以期达到产品设计开发的可预测性和镀膜生产的标准化、规范化。

他们做的第一件事,就是开发一套具有自主知识产权的膜系设计软件。“虽然国外也有相应的数字化设计软件,但我们选择自己开发,是因为我们希望有一套软件,能够符合中国的国家标准,具备汉字操作界面,更加适用于中国的本土环境,更重要的是,自己掌握基础代码,为今后的创新发展奠定基础。”汪洪说。

之前,膜系设计的光谱、单片玻璃的光学性能、整体窗结构的热工性能是由三套不同的国外设计软件来完成的,镀膜工程师在实际使用时,需要在三套软件之间来回切换。光是来回“倒腾”数据格式,一个熟手也至少需要20分钟,导致工作效率大大降低。针对这个问题,他们对设计软件功能进行了整合,最终开发出了国内首款面向节能镀膜玻璃产品的膜系设计软件(GLASCOAT)。

这款软件具备膜系、中空结构设计,光谱、颜色、光学及热工性能计算等功能;并利用遗传算法实现膜系结构优化和反演,通过参数控制及流程优化实现了快速全局收敛;实现了对镀膜玻璃设计的一站式服务,只需要一次按键,就可在数秒内同步计算膜系光谱与单片玻璃及中空玻璃的光学与热工性能,一举实现原来三套软件联用的功能,各项功能达到国际先进水平,填补了国际上同类软件计算中不涵盖中国标准的空白;而且操作界面与操作方式更适合国内镀膜工程师使用。

在解决了“能不能生产”的问题后,他们乘胜追击,开始解决“产品好不好”的问题。

“以玻璃镀膜的颜色为例,我们发现虽然产品是按照同一个色标数值进行生产,但实际生产出来的产品在视觉上总是会出现偏差。我就想,为什么参数一样,看起来却不同呢?”汪洪说。

原来,眼睛看到的颜色是由光谱构成的,色标数值是将光谱进行加权计算得到,在实际中与光谱并非严格一一对应,也就是常说的多解。所以,即使数值在合格范围之内,眼睛看到的颜色也有可能出现可辨别的差别。对此,汪洪提出用光谱代替国内外镀膜业界惯用的色标数值作为产品一致性检验指标,并在软件中加入一种快速算法,对产品与设计的符合度进行实时评估,解决了实际生产中产品的色差控制问题。

工业产品的特点之一就是重复性,同一型号的每件产品都必须一模一样,不论是谁生产的、什么时候生产的。在汪洪看来,由于文化问题,我国在工业生产上比较依赖于“老师傅”的经验,但“人治”总是带有一定的主观性。“在现代化生产中,我们能不能把人的因素尽可能排除掉,让科学来主导整个工艺过程呢?”

抱着这样的想法,汪洪团队在GLASCOAT的代码基础上,集成了人工智能运算、自动化控制等技术,开发了首款节能镀膜玻璃智能制造软件(AI-GLASCOAT)。这套工艺分析控制软件能够最大限度地减少人为因素,使经验型产品开发、工艺控制更具理论性、系统性、规范性和可预见性,产品质控由对结果监督提升为对原因的控制。这在国内外类似软件中都没有先例。

与此同时,汪洪团队还自行设计开发了在线光学扫描测量系统(FILMSCAN)和多功能磁控溅射玻璃镀膜生产线。日积月累,循序渐进,他们通过多年的不懈努力,自主开发完成了适合我国镀膜产品开发的软硬件,实现了从镀膜玻璃设计、开发,到制造、质控的完整闭环,让行业具备了设计、开发、生产高质量镀膜玻璃产品的实力和“底气”。

能赚钱的科研成果

经过多年攻关,汪洪团队研究获得的镀膜产品智能化制造系统缩短了我国与欧美先进镀膜行业技术水平差距,加速了镀膜产品向高端化发展,促进了玻璃产业的结构调整;同时汪洪团队重视材料基础研发,先后开发出达到或超过国际先进水平的耐酸碱阳光控制膜、太阳能吸热膜、高性能可钢Low-E膜等高端镀膜产品,打破了欧美公司在高端镀膜产品市场的垄断地位。将镀膜产品智能化制造系统向国内镀膜行业推广,提高行业的整体技术水平是这套系统开发的初衷,也是终极目标。

“我们盼望着这个科研成果能够尽早对实际生产作出贡献。我们感觉,市场需求是有的,但是以成果转化的方式推广并不容易。”汪洪坦言,“中国该领域中小规模的厂家居多,它们在乎一分一厘的钱,要说服它们上马新的设备或软件,并不简单。”

于是,他们决定从规模较大的生产商入手,先在几条现有生产线上产生示范效应后,再向业界进行推广。迄今,团队先后在中建材(内江)玻璃高新技术有限公司、武汉长利新材料科技有限公司、河南中联玻璃等三条镀膜线上安装使用了GLASCOAT和AI-GLASCOAT软件,构成了完整数字化设计与智能化制造软硬件体系;开发的在线光谱测量系统已完成4台套安装使用。

中建材(内江)玻璃高新技术有限公司安装了镀膜产品智能化制造系统,并成功开发出高性能Low-E镀膜玻璃、太阳能吸热膜等高端产品,5年来公司规模快速发展,产品种类及产业链不断延伸。2018年产值达到1.49亿、利润716.73万元,预计2019年产值将达到1.57亿,利润1161万元。

目前,中建材(内江)玻璃高新技术有限公司已成为当地招商引资的示范项目。在未来的几年内,内江市将以此起点依托建材集团的支持,形成新材料产业集群,对国内国际市场产生重大影响和市场辐射能力,预计将带来将近500亿元的产值、近50亿元的利税,创造上万个就业岗位。

与此同时,汪洪团队的技术成果也在业内迅速开花。重庆一家企业负责人表示,他们使用的中国建材总院技术生产的太阳能光热转换膜吸收率高于95%,辐射率低于4%,光谱选择性、耐盐雾性能等超过同类进口产品,产品质量稳定,并且与进口吸热膜相比价格具有竞争优势。

优异的产品性能,来源于汪洪团队对吸热材料开展的机理性研究与掌握的大量基础数据。他们还对中建材太仓公司长期进行技术支持,促进了该公司镀膜生产线的销售、安装调试及产品稳定生产,目前该公司已实现经济效益3亿元。

经过近10年的潜心钻研,汪洪带领团队使我国的膜系设计与镀膜工艺控制技术从“经验技能”升级到“科学技术”。“在节能玻璃领域,中国还大有文章可做。”近两年,他们又将目光集中在扩展玻璃镀膜的功能性上。随着国家经济的发展和社会的进步,对门窗玻璃也不断提出更高的要求。门窗的智能化已成为未来的趋势。可以肯定,在中国从镀膜玻璃大国向强国转型的道路上,他们将不断前行,将玻璃镀膜做到极致。
 
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