專利名稱：一種高吸收地表太陽光黑色玻璃及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于玻璃生產(chǎn)技術(shù)，具體涉及一種高吸收地表太陽光黑色玻璃及其制備方法。
背景技術(shù)：
目前黑色玻璃的制作方法很多，具體制作工藝與所用材料都有很大的差別，但目前所制作的黑色玻璃僅僅是從顏色上觀測到是黑色，也就是說它僅僅對可見波段是不透過的，而太陽光到達到地球表面的光輻射波長從200nm一直延伸到2500nm，可見波段的波長僅在400nm-780nm范圍內(nèi)，地表太陽光在可見光外的紫外波段與紅外波段也具有一定的能量分布，對于這兩個波段，傳統(tǒng)的黑色玻璃就不能保證其不透過性。如專利申請?zhí)枮?3153789.8的發(fā)明專利《一種晶瑩黑色玻璃生產(chǎn)方法》，其中提到了使用Fe2O3、CoO、NiO作為著色劑可在常規(guī)玻璃體系中制作出黑色玻璃，但他所說的黑色僅僅是對可見光而言的。另外武漢理工大學的何峰等人在材料科學與工藝上發(fā)表的文章《CaO-Al2O3-SiO2系黑色裝飾微晶玻璃的研究》，也提到了使用Fe2O3、Co2O3、Ni2O3作為著色劑在CaO-Al2O3-SiO2系統(tǒng)基礎玻璃中制作出黑色玻璃，同樣該玻璃的黑色也僅僅一對可見光而言的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高吸收地表太陽光黑色玻璃，該黑色玻璃對地表太陽光高不透過；本發(fā)明還提供了該黑色玻璃的制備方法。
本發(fā)明提供的高吸收地表太陽光黑色玻璃，采用硼硅玻璃和著色劑制備而成，其特征在于所述著色劑包括氧化鈷或者氧化亞鈷、氧化鉻和氧化銅，其中，每100摩爾硼硅玻璃使用的著色劑用量范圍為0.1-3摩爾的鈷離子，0.1-3摩爾的鉻離子，0.5-4摩爾的銅離子。
作為本發(fā)明的改進方案，在著色劑中加入氧化鐵和/或氧化鎳，每100摩爾硼硅玻璃使用的鐵、鎳離子的用量小于等于2摩爾。
上述黑色玻璃的制備方法為(1)將硼硅玻璃料與著色劑按比例混合均勻，置于1300-1500℃下熔化1-6小時；(2)經(jīng)過模具成型后置入450-600℃退火爐下進行退火處理，1-3小時后再自然冷卻到室溫。
本發(fā)明選擇硼硅玻璃作為玻璃基質(zhì)，實現(xiàn)在硼硅玻璃體系中制作對太陽光高不透過性的黑色玻璃。其基本原理如下，鈷離子在硼硅玻璃中以二價鈷出現(xiàn)，吸收帶處于500nm-700nm(不同組分的硼硅玻璃基質(zhì)該波長范圍稍有變化)波段范圍內(nèi)，鈷離子的著色能力非常強，鈷離子對1100nm-2500nm波段的太陽光也有一定的吸收效果。鉻離子在玻璃中存在三價鉻與六價鉻，六價鉻離子在高溫下極不穩(wěn)定，故玻璃中鉻離子常以三價鉻離子存在，硼硅玻璃中三價鉻離子在430nm波段附近(不同組分的硼硅玻璃基質(zhì)其波長范圍有著小幅℃變化)存在很強的吸收。銅離子在玻璃中存在一價銅與二價銅，一價離子無色，二價銅離子天藍色，硼硅玻璃中的二價銅離子可在700nm-1100nm波段(不同組分的硼硅玻璃基質(zhì)其透射波長范圍存在小幅℃變化)存在很強的吸收作用。因此，復合摻雜鈷(Co)、鉻(Cr)、銅(Cu)離子對玻璃進行著色產(chǎn)生的顏色玻璃將地表的太陽光整個波段都有很好的吸收效果。二價鎳離子在紅外波段也有比較好的吸收效果，使用鈷、鉻和銅離子對玻璃進行復合著色制作出的黑色玻璃可對到達地表的整個太陽光波段(200nm-2500nm)范圍的太陽光達到很高吸收的效果。
二價鐵離子在紅外波段有很好的吸收效果，而三價鐵離子在紫外波段有很好的吸收效果，鐵離子在玻璃中存在二價鐵離子與三價鐵離子，二價鎳離子在紅外波段也有比較好的吸收效果，因此，在鈷、鉻、銅離子著色玻璃中加入鐵、鎳離子，可減少鈷、鉻、銅著色離子的用量。
具體實施例方式
本發(fā)明采用離子著色法對玻璃進行著色而制備出一種新型的黑色玻璃材料。確切的說是一種對到達地表的太陽光基本不透過(除反射外基本吸收)的玻璃材料。硼硅玻璃具有極其穩(wěn)定的物理化學性能，廣泛用于制作各種玻璃儀器，該黑色玻璃以硼硅玻璃料為玻璃基質(zhì)，采用離子著色法對玻璃進行著色，即通過在其中摻雜不同種類的過渡金屬離子對其著色，使其達到對整個太陽光波段高吸收的性能。所謂的玻璃的離子著色法就是在玻璃中摻雜過渡金屬化合物，玻璃中存在的過渡金屬離子的價電子在受到光子激發(fā)的情況下可進行能級間的躍遷。在太陽光照射下，過渡金屬離子受到太陽光激發(fā)產(chǎn)生能級躍遷，不同的能級躍遷需要吸收不同能量的光子，對應著吸收不同波段的太陽光，由此引發(fā)對太陽光的選擇性吸收，導致著色。本發(fā)明的基本依據(jù)在于使用不同的過渡金屬離子對玻璃進行著色產(chǎn)生的顏色玻璃將對不同波段的太陽光存在吸收，而在玻璃料中同時摻雜幾種的過渡金屬化合物，所形成的顏色玻璃對太陽光的吸收波段應為單離子著色玻璃產(chǎn)生的吸收帶的疊加，通過適當?shù)倪x擇著色劑的種類與用量，可制作出對整個到達地球表面的太陽光全波段(250nm-2500nm)均有很高的吸收效果的玻璃。
本發(fā)明黑色玻璃采用硼硅玻璃原料與著色劑制備而成。硼硅玻璃原料可采用常規(guī)硼硅玻璃原料。
著色劑為氧化鈷或者氧化亞鈷、氧化鉻和氧化銅，也可以添加氧化鐵或/和氧化鎳。
用量范圍對應100摩爾硼硅玻璃基質(zhì)，摻雜Co、Cr離子均為0.1-3摩爾，二價Cu離子為0.5-4摩爾，F(xiàn)e離子、Ni離子均為0-2摩爾。
其制作工藝為將硼硅玻璃料與著色劑按上述比例混合均勻，置于1300-1500℃下熔化1-6小時，經(jīng)過模具成型后置入450-600℃退火爐下退火處理1-3小時后再自然冷卻到室溫，即制得對太陽光波段光高吸收的玻璃材料，該材料經(jīng)過光學加工，即可制備出所需要的各種光學器件，可應用于遮光玻璃器件，以及太陽能吸收利用等方面。
下面列舉實例對本發(fā)明作進一步詳細的說明，但本發(fā)明并不局限于此。本領(lǐng)域一般技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，采用其它多種具體實施方式
實現(xiàn)本發(fā)明。
實施例1取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.042克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.796克，將原料混合均勻，放入坩堝中，然后將坩堝在1400℃高溫度爐中熔制2小時，再將坩堝取出，將玻璃液倒入模具，成型后迅速將玻璃樣品置入550℃退火爐退火處理2-3個小時，將退火過后的玻璃樣品經(jīng)過光學加工，制備出5mm厚的玻璃板，在光譜測量儀上進行其透過光譜曲線測試，對比大氣質(zhì)量為1.5的地表太陽光的能量分布可估算出透過的太陽光能量占地表太陽光輻射能的2％以下。
實施例2取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的0.25％以下。
實施例3取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷1.25克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量的0.1％(取大氣質(zhì)量為1.5)以下。
實施例4取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑氧化亞鈷0.375克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.399克，三氧化二鐵將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的0.25％以下。
實施例5取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.042克，三氧化二鉻0.038克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的5％以下。
實施例6取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.042克，三氧化二鉻0.380克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的2％以下。
實施例7取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.042克，三氧化二鉻1.14克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的1.9％以下。
實施例8取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.398克，氧化銅0.194克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的1％以下。
實施例9取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.398克，氧化銅0.398克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的0.5％以下。
實施例10取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.398克，氧化銅1.59克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的0.15％以下。
實施例11取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.380克，氧化銅0.398克，三氧化二鐵0.399克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的0.25％以下。
實施例12取二氧化硅18.03克，硼酸9.27克，碳酸鈉13.26克，著色劑三氧化二鈷0.166克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.796克，氧化鎳0.248克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的0.25％以下。
實施例13取二氧化硅19.5克，硼酸10.5克，碳酸鈉9.54克，著色劑三氧化二鈷0.415克，三氧化二鉻0.190克，氧化銅0.796克，將原料充分混合均勻，加入坩堝，以下步驟同實施例1。測得該樣品制得的5mm厚玻璃板透過的太陽光能量占地表太陽光輻射總能量(取大氣質(zhì)量為1.5)的0.25％以下。
權(quán)利要求
1.一種太陽光波段高吸收黑色玻璃，該黑色玻璃采用硼硅玻璃和著色劑制備而成，其特征在于所述著色劑包括氧化鈷或者氧化亞鈷、氧化鉻和氧化銅，其中，每100摩爾硼硅玻璃使用的著色劑用量范圍為0.1-3摩爾的鈷離子，0.1-3摩爾的鉻離子，0.5-4摩爾的銅離子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的黑色玻璃，其特征在于所述著色劑還包括氧化鐵，每100摩爾硼硅玻璃使用的鐵離子的用量小于等于2摩爾。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的黑色玻璃，其特征在于所述著色劑還包括氧化鎳，每100摩爾硼硅玻璃使用的鎳離子的用量小于等于2摩爾。
4.一種制備權(quán)利要求1所述的黑色玻璃的方法，其步驟包括(1)將硼硅玻璃料與著色劑按比例混合均勻，置于1300-1500℃下熔化1-6小時；(2)經(jīng)過模具成型后置入450-600℃退火爐下進行退火處理，1-3小時后再自然冷卻到室溫。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高吸收地表太陽光黑色玻璃及其制備方法。黑色玻璃采用硼硅玻璃和著色劑制備，著色劑包括氧化鈷或者氧化亞鈷、氧化鉻和氧化銅，每100摩爾硼硅玻璃，鈷離子為0.1－3摩爾，鉻離子為0.1－3摩爾，銅離子為0.5－4摩爾。先將硼硅玻璃料與著色劑按比例混合均勻，置于1300－1500℃下熔化1－6小時；再經(jīng)過模具成型后置入450－600℃退火爐下進行退火處理，1－3小時后再自然冷卻到室溫。本發(fā)明使用鈷、鉻和銅離子對玻璃進行復合著色制作出的黑色玻璃可對到達地表的整個太陽光波段(200nm－2500nm)范圍的太陽光達到很高吸收的效果。
文檔編號C03C4/08GK101054263SQ200710052288
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月25日
發(fā)明者戴能利, 陸培祥, 吳剛城, 楊光, 李玉華, 蔣魯杰 申請人:華中科技大學