透光材料-运用于建筑等领域的复合材

在透明结构中采用无机的和有机的透光材料。应用最广的是硅酸盐玻璃(板式的、窗剧的、橱窗的、嵌丝的、花纹的、彩色的、遮阳的——吸热的、热反射的、定向透光的、表面磨光的)。

透光材料是一种新型的复合材。由于透光材料的独特优点以及逐步推广的运作,已经被广泛的使用。尤其是室内装饰中使用范围更大、已广泛运用于灯具、家具、墙面、吊顶、广告材料和艺术造型等等。

概述

透光材料包括透可见光(波长)、红外光(波长)和紫外光(波长)的材料。透光材料包括无机透光材料、高分子透光材料和透光复合材料。

透光率是透光材料的主要性能指标,定义为透射光强与入射光强之比:

透可见光的材料包括无机玻璃和有机高聚物,以及纤维与纳米复合材料。当前光学玻璃有240余种,折射率()和色散系数()范围大,光学稳定性好,耐磨损。玻璃材料透光率高,可达以上。玻璃材料的缺点是密度大(),耐冲击强度低,加工困难,制造周期长。

常见类型

透紫外玻璃仍是应用最普遍的透紫外光学材料,包括光学石英玻璃、透紫外黑色玻璃、钠钙硅透短波紫外玻璃以及钠钙紫外玻璃等。光学石英玻璃是透紫外线最好的材料,它在紫外波段有很好的透光性能。透紫外黑色玻璃对400~700nm的可见光不透明,对300~400nm的紫外线有很高的透过率,国外称这种玻璃为伍德玻璃。钠钙硅透短波紫外玻璃能透过254nm的短波紫外线,是制作热阴极低压汞灯的理想管壁材料。钠钙透紫外玻璃允许透过280~350nm以上的中波紫外线,不透过280nm以下的对人体有害的短波紫外线。此外,许多碱卤化合物晶体和碱土卤化物晶体在紫外区域也有较好的透过性能,但这些晶体的物理化学性能远不如石英玻璃稳定,制备工艺也比较复杂,真正能够用在紫外光谱分析仪上代替光学石英玻璃作为分光棱镜的基体材料为数不多。

至今为止,聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚苯乙烯(PS)、聚碳酸酯(PC)和聚双烯丙基二甘醇碳酸酯(CR-39)作为传统光学塑料占据有机高分子透光材料主导地位。传统聚合物透光材料还包括苯乙烯丙烯腈共聚物(SAN)、聚4-甲基戊烯-1(TPX)和透明聚酰胺等。这些材料的透光率已达左右。高聚物透光材料的优点是质量轻(密度为)、成本低、制造工艺简单、不易破碎,可用来制作各种透镜、棱镜、非球面镜、反射镜等光学元件。不仅用于眼镜和低档照相机上,而且已逐步应用于显微镜、天文望远镜、夜视仪、制导系统、测距仪等各种中高档光学仪器上。透光聚合物也有很多缺点,如折射率范围窄,线膨胀系数、双折射和色散大,耐热、耐磨、耐湿和抗化学侵蚀性能差,硬度低。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),俗称有机玻璃,是高度透明、无毒无味的热塑性材料。其可见光透过率达,紫外线透过率达,且具有很好的耐候和抗老化性能。它的缺点是表面硬度低、耐热性和加工性较差,为此开发了许多共聚改性品种。聚苯乙烯(PS)质地坚硬,化学性能和电绝缘性能优良,易于成型出色彩鲜艳、表面光洁的制品,广泛用于电气、仪器仪表、包装装潢和日常生活等。PS的主要缺点是质脆和耐热性差。聚碳酸酯(PC)是综合性能优良的热塑性工程塑料。其透光率为,具有十分突出的抗冲击性能和耐热性能,因此综合性能优于PS和PMMA。PC广泛用于室外照明、安全眼镜、安全帽、微波炉容器和透明医疗器械等。其缺点是熔体黏性大、流动性差,导致器件的残余应力增大,易产生应力双折射与应力开裂。

除了上述传统透光高分子聚合物材料外,又开发出OZ-1000树脂、KT-153螺烷树脂、TS系列光学材料、MH树脂、APO树脂和TS26树脂等具有新型高分子结构的聚合物透光材料。

透明玻璃纤维增强塑料,俗称透明玻璃钢,是目前最常用的聚合物基透光复合材料,它是以玻璃纤维与不饱和聚酯或丙烯酸酯复合而成的一种新型的采光材料。透明玻璃钢是20世纪40年代美国维斯特-考阿斯特公司首先研究成功的,60年代开始在工程中应用。此后,英、法、日、意、德等国竞相发展,产量日益增加。到了20世纪60年代中期,透明玻璃钢及波形板的产量曾达到,占其玻璃钢总产量的。日本起步较晚,但发展较快,80年代初的产量约为,占日本玻璃钢总产量的。随着玻璃钢工业的迅速发展,透明玻璃钢的质量(耐老化性能等)、生产方式和透光性不断提高。如美国和日本生产的耐候性透明玻璃钢的使用寿命由7~10年提高到20年;法国DeltaChimie公司的玻璃钢波形板生产线的生产率每分钟可达8~12m;日本研究的丙烯酸酯类透明玻璃钢,其透紫外光能力不仅优于聚酯透明玻璃钢,而且还优于玻璃,最适用于农业蔬菜、花卉栽培的温室和矿工的日光浴室。

透光原理

以玻璃钢为例对聚合物基复合材料的透光性原理作简要分析。

玻璃钢属于光学上的非均一物体,当可见光通过玻璃钢时便产生散射现象。由于玻璃纤维的直径(6~10μm)要比可见光的波长(0.4~0.76μm)大好几倍,且相邻两根纤维之间的距离一般都不超过纤维直径的两倍,因此,需要用多次散射理论来描述光通过玻璃钢介质时的现象。

根据多次散射理论,一束平行光经过厚度为h的散射层后,其透过部分T(透光率)可用下式表示:

式中,P——吸收系数;S——折射率

对于玻璃钢,P、S可由下式计算:

式中——玻璃纤维的折射率;

——黏结剂的折射率;

——玻璃纤维的吸收系数;

——黏结剂的吸收系数;

——玻璃纤维的体积分数;

——玻璃纤维的直径。

除此以外,对于玻璃钢还需考虑表面层的反射损失。平面试样两抛光面的总反射系数γ可按下式计算:

式中,ρ为试样一个面的反射系数。玻璃钢试样一个面的反射系数ρ与黏结剂的折射率n有关。

光学性质

1.颜色:材料的颜色是由其自身的光谱特性、投射于材料表面的光线的光谱特性和观看者眼睛的光谱特性决定的。材料的颜色可分为红、蓝、黄、绿、白、紫、黑。颜色是构成材料装饰性的重要因素,它决定了建筑装饰的基本格调,对确定环境气氛,控制装饰艺术效果,具有极为重要的作用。

2.透光性:光线投射于材料表面后,一部分被反射,一部分被透射,另一部分被吸收。材料允许光线透过的性质,称为透光性,可用透光率表示,即透过材料的光线的强度与入射光的强度之比。透光性好的材料,其透光率可高达以上;而不透光材料,透光率为零。此外,还将透光率较小的材料称为半透明材料。

3.透视性:当材料中有光线透过时,若不改变光线的方向(即光线可平行透过),则这种材料不仅可以透过光线,而且可以透过影像,称这种光学性质为透视现象,也称之为透明。若将透明的平板玻璃压花,则可将透明材料变成不透视材料。

4.滤色性:对透光性材料,当光线透过时,材料能选择性的吸收一定波长的入射光,使透过的光线变成特定的颜色,这种性质称为材料的滤色性。建筑装饰材料使用过程中,透过的白光常被滤掉某种颜色,而呈现出特定颜色的光。

5.光泽性:光线投射于材料表面上后,若反射光线相互平行,则材料的表面会出现光泽现象。不同的材料表面组织结构不同,其反射的光线的波长和角度也不相同,故金属、非金属、玻璃、陶瓷、大理石、塑料、油漆、木材、丝绸等的光泽各不相同。

6.光污染:在建筑环境中,若采用的光源的亮度不当,或光源的安放位置和角度不当,或在强光下使用具有透光、反光或聚光材料不当时,会产生眩光,即光线直射行人、住户、司机、驾驶人员的眼睛,引起视觉不良、不安、不适或伤害;或由于反光,光线聚焦,使局部空间产生强光、高热等现象,影响人们的工作、学习和生活时,均可称为光污染。

为防止光污染,选用光源、反射性的外墙装饰板,或设计外墙玻璃装修的面积率时,都应符合有关建筑规范的规定和限制。

应用

具有较高机械强度和耐热性能的钢化平板玻璃是经特殊热处理(淬火)的高质量的磨光或未磨光玻璃。钢化玻璃在建筑中应用较广,它具有较高的弹性,较普通玻璃的弹性大约高10倍,但是不能经受来自端侧的打击,因而在运输和安装时需要特别注意。当破碎时钢化玻璃形成边缘不锋利的碎块。玻璃工业所生产的钢化平板玻璃尺寸可达3000~1500mm。

遮阳玻璃可减少太阳辐射和透入室内的太阳直射强度。遮阳玻璃分为吸热的、对比的、有气溶胶罩面的、网纹反射阳光的、散射光的和隔热的。

吸热玻璃是利用吸收具有能量较多的长波光线来减少进入室内的太阳直射光。吸收红外线的特征是由于在这些玻璃中含有的氧化铁,因而玻璃会得到蓝—绿色或浅灰色的色调。

散射和隔热玻璃由密封在一起的双层玻璃板组成,它们之间设置1~3mm厚的玻璃纤维夹层。如实验所示,此种玻璃能吸收达的热射线,可缓和强烈的照度对比,使光线在宽度和进深上均匀分布。在靠近采光洞口处,照度较普通窗用玻璃大约大2~3倍,但是,在小于1.7m的距离处却大体相同,而在离开洞口较远处,散射玻璃的照度则大干普通玻璃。

空心叠合玻璃砖是由两层或更多层的玻璃做成的制品,各层之间的连结使其中间形成封闭的空气间层。按照空心叠合玻璃砖的制造方法,可分为胶接的、熔接的、焊接的。建议工业建筑采用玻璃厚度为3~6mm、面积为的空心叠合玻璃砖。

空心玻璃砖是具有密封空腔的制品,空腔是焊接在一起的两块压制的箱形半块玻璃砖在特殊的炉子中加以烧结形成的。玻璃砖可分为:按形状——方形的、矩形的、角形的和圆形的;按光学性质——散射光的、透光的、定向光的和遮阳的;按构造做法——单腔的和双腔的。

赞(0)
免责声明:本文部分文字与图片资源来自于网络,用户转载此文是出于传递更多信息之目的,若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益,请立即在本文留言评论通知我们,情况属实,我们会第一时间予以删除,并同时向您表示歉意。