科學(xué)家提出新型玻璃增韌策略，將氧化物玻璃韌性提升兩倍以上

作為非晶無(wú)機(jī)非金屬材料的一種，玻璃的理論強(qiáng)度比實(shí)際強(qiáng)度大得多。

例如，人們生活中常見(jiàn)的玻璃材料，理論強(qiáng)度通常能達(dá)到幾個(gè)GPa甚至十幾個(gè)GPa，但其實(shí)際強(qiáng)度卻在500MPa左右，僅有前者的1%甚至更少。（Pa是壓強(qiáng)的單位，1GPa=1000MPa。）

致使玻璃的實(shí)際強(qiáng)度非常低的原因有很多，缺乏微觀結(jié)構(gòu)控制的增韌作用就是其中一種。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，玻璃的韌性很低，非常容易開(kāi)裂，從而對(duì)其技術(shù)應(yīng)用造成了根本性的限制。

目前，相關(guān)領(lǐng)域的研究人員一般采用以下幾種策略對(duì)玻璃進(jìn)行鋼化。

其一，調(diào)整玻璃的外部應(yīng)力。先對(duì)玻璃實(shí)施熱處理，然后再快速冷卻，使其表面形成一個(gè)應(yīng)力層，能夠在遭受外部力量的沖擊時(shí)，幫助抵消一部分應(yīng)力。

其二，調(diào)整玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。比如通過(guò)化學(xué)組分設(shè)計(jì)，進(jìn)一步提升玻璃的韌性。

其三，原位析晶法。控制玻璃的退火溫度，使其能夠析出一部分晶體，進(jìn)而提升一定的韌性。需要說(shuō)明的是，該方法存在缺陷，只有在特殊的體系中，在析出晶體的尺寸被控制得非常好的條件下，才不會(huì)破壞玻璃的光學(xué)特性。

基于此，為了不影響玻璃性能的發(fā)揮，該領(lǐng)域的科學(xué)家們?nèi)栽谧巫尾痪氲刈非蟾玫牟Ａт摶呗浴?/p>

近期，來(lái)自德國(guó)拜羅伊特大學(xué)、中國(guó)寧波大學(xué)和北京高壓科學(xué)研究中心等單位的研究人員，以鋁硅酸鹽玻璃為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)準(zhǔn)晶化對(duì)氧化物玻璃進(jìn)行了特殊增韌。

他們通過(guò)高溫、高壓的方式對(duì)玻璃進(jìn)行了退火處理，來(lái)調(diào)控其固有的短程有序原子級(jí)結(jié)構(gòu)，從而均勻形成了遍布玻璃結(jié)構(gòu)的類晶體中程有序團(tuán)簇。

這些類晶體團(tuán)簇的尺度約為1納米，當(dāng)受到外部應(yīng)力時(shí)，首先會(huì)失穩(wěn)，然后會(huì)朝著初始的玻璃態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。也就是說(shuō)，應(yīng)力作用會(huì)促使類晶體相變?yōu)榉蔷B(tài)，并導(dǎo)致塑性變形。

事實(shí)上，氧化物玻璃幾乎不存在塑性變形。一旦出現(xiàn)塑性變形，就會(huì)極大程度提升玻璃的韌性。

“這種提升來(lái)源于兩個(gè)方面。首先，塑性變形會(huì)消耗一部分能量，縮短玻璃裂紋傳播的距離。其次，塑性變形會(huì)改變裂紋尖端的形態(tài)，讓這里的類晶體得以重新分配，進(jìn)而阻止裂紋擴(kuò)展?！卑萘_伊特大學(xué)洪堡博士后唐虎（現(xiàn)為吉林大學(xué)教授）解釋道。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，該氧化物玻璃的韌性從原來(lái)的0.66MPa·m1/2，實(shí)現(xiàn)了兩倍以上的提升，達(dá)到1.99±0.06MPa·m1/2，超過(guò)此前文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)的所有塊狀氧化物玻璃的韌性。

值得一提的是，由美國(guó)康寧公司生產(chǎn)的、在高端智能手機(jī)屏幕中應(yīng)用的大猩猩玻璃以超高的韌性而聞名，但其韌性也僅僅只有該氧化物玻璃的1／3。

近日，相關(guān)論文以《通過(guò)準(zhǔn)晶化增韌氧化物玻璃》為題發(fā)表。

唐虎為該論文的第一作者兼共同通訊作者，寧波大學(xué)副研究員肖文戈和北京高壓科學(xué)研究中心生紅衛(wèi)教授擔(dān)任論文的共同通訊作者。

需要說(shuō)明的是，目前基于該研究得到的玻璃樣品尺寸僅為毫米級(jí)別，并沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的空間。這主要是因?yàn)?，采用高溫、高壓的方式無(wú)法獲得尺寸較大的塊體玻璃材料。

因此，在接下來(lái)的研究中，該課題組希望能探索一些可以將壓力降至常壓的方法，進(jìn)而得到更大尺寸、能夠商用的類晶體玻璃。

同時(shí)，他們也計(jì)劃開(kāi)發(fā)更多更簡(jiǎn)單的體系，使得增韌效應(yīng)可以達(dá)到最大化。此外，其甚至想推動(dòng)玻璃材料出現(xiàn)宏觀的塑性變形，讓玻璃能夠?qū)崿F(xiàn)如橡皮一般的可拉伸或可壓縮的狀態(tài)，以便更好地制備耐沖擊或耐破壞的材料。

“總的來(lái)說(shuō)，我們的成果提供了一種有效的玻璃增韌策略，并強(qiáng)調(diào)了通過(guò)熱處理方式改變玻璃原子結(jié)構(gòu)，能給材料的強(qiáng)度帶來(lái)重大影響?！碧苹⒈硎?。

如果后續(xù)他們能將壓力進(jìn)一步降低，甚至實(shí)現(xiàn)常壓，就有可能開(kāi)發(fā)出可以廉價(jià)和大規(guī)模制備的高韌性氧化物玻璃材料，從而進(jìn)一步擴(kuò)大玻璃的應(yīng)用范圍和應(yīng)用極限。 （綜合整理報(bào)道） （策劃／克珂）