Science:“破”而后立——強化玻璃的辦法是把它“打碎”?

【中玻網(wǎng)】如果要用一個字來形容玻璃，那一定選“脆”字。兩個字?“易碎”…玻璃是現(xiàn)代工業(yè)材料界能稱霸一方的強者，大到高樓大廈，火車飛機，小至手機電腦，瓶瓶罐罐，隨處可以看到玻璃的身影。不過，若要挑出對玻璃不滿意的地方，那一定是它太脆弱了！不論是小時候打碎玻璃窗后被打紅的屁股，長大后手機屏幕上密密麻麻的裂紋，抑或是酒桌上不小心碰到的酒杯，做實驗時衣服刮到的量筒，都無時無刻不在提醒我們，玻璃真的很脆，打不得，摔不得，更撞不得！

　　當(dāng)然，科學(xué)技術(shù)總是不斷進(jìn)步的，為了解決玻璃的脆性和抗沖擊性問題，科學(xué)家們奇思妙想，設(shè)計了更高度度和耐沖擊的鋼化玻璃和夾層玻璃。鋼化玻璃通過回火在玻璃表面預(yù)加壓應(yīng)力，從而阻止表面裂紋產(chǎn)生，提高玻璃強度，而夾層玻璃則是在玻璃板中嵌入材質(zhì)較軟的透明農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系聚合物中間層，這層聚合物能夠儲存應(yīng)變能，同時也能在玻璃板碎裂時仍將碎片粘在一起，從而一定程度上提高了玻璃耐沖擊性。兩種辦法還能結(jié)合起來，即鋼化夾層玻璃。然而，這兩種辦法并未真的改善玻璃本身的韌性，鋼化玻璃雖然能夠增加玻璃的強度，但一旦產(chǎn)生裂紋，將迅速釋放回火時儲存的彈性能量，導(dǎo)致整塊玻璃“爆開”，且鋼化玻璃一旦成型就無法再次加工，導(dǎo)致其應(yīng)用大大受限。而夾層玻璃雖然依靠中間層的聚合物粘住玻璃碎片，一定程度上維持了受沖擊時整塊玻璃的穩(wěn)定，但實際上破裂后的玻璃已是“貌合神離”。此外，還有號稱敲不碎、砸不爛的“玻璃非常好”——金屬玻璃，不過，這種“金屬玻璃”是科學(xué)意義上非晶態(tài)合金，其光學(xué)、電學(xué)性能可能完全不同，并非生活中常說的以透明、絕緣、耐高溫、耐腐蝕著稱的玻璃?？磥硎碌饺缃?，如果說還有什么辦法讓玻璃不碎，恐怕就只有自己先把它打碎了（你看玻璃渣就不那么容易碎）！

　　加拿大麥吉爾大學(xué)的Barthelat團(tuán)隊就干了這件“蠢”事，還把相關(guān)論文發(fā)在了Science上。當(dāng)然，他們做的可不是“打碎”玻璃這么簡單，而是“破而后立”，從仿生學(xué)的角度，模仿軟體動物的珍珠層的“磚-漿”式結(jié)構(gòu)，通過均勻而分離的玻璃碎塊（磚塊）及層間農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系聚合物（漿料）的層層組裝制備了一種珍珠層狀玻璃，組裝的玻璃具有與珍珠層結(jié)構(gòu)類似的獨特滑動機制，非常大地改善了玻璃材料的韌性和耐沖擊性能。讓我們掌聲有請本文嘉賓——Science作品“Impact-resistant nacre-like transparent materials”。珍珠層是軟體動物貝殼內(nèi)層的結(jié)構(gòu)，由文石晶體與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系基質(zhì)交錯排列，呈現(xiàn)規(guī)整有序的“磚-漿”式結(jié)構(gòu)（細(xì)小文石晶體片為“磚塊”，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系基質(zhì)為“漿料”），這種精妙的微觀結(jié)構(gòu)及其獨特的滑動機制，使得珍珠層文石晶體的強韌度遠(yuǎn)高于普通文石晶體。文中，作者從珍珠層材料的三維結(jié)構(gòu)出發(fā)，在分析其“磚-漿”式結(jié)構(gòu)特征及片劑滑動機理的基礎(chǔ)上，提出了一種三維“磚-漿”式結(jié)構(gòu)玻璃（玻璃碎塊為“磚塊”，聚合物夾層為“漿料”）的制備策略：首先利用聚焦脈沖激光束在220μm厚的硼硅酸鹽玻璃板上雕刻玻璃細(xì)塊的輪廓。隨后，將五片雕刻后的玻璃板與125μm厚的EVA聚合物層交替堆疊，并將玻璃板對齊以使板上雕刻的細(xì)塊呈三維交錯排列（類似珍珠層中礦物質(zhì)碎塊的交錯排列）。將組裝好的玻璃板壓成一整塊玻璃，雕刻后的玻璃板在壓力下沿雕刻的輪廓線裂成單獨而均勻的細(xì)塊，而這些細(xì)塊在EVA作用下黏在一起，從而形成了類似珍珠層的“磚-漿”式結(jié)構(gòu)。

　　圖1貝殼上的珍珠層三維結(jié)構(gòu)示意圖（A）；珍珠層狀玻璃加工流程圖（B）

　　通過改變玻璃板上的雕刻圖案，還可以控制每個玻璃“磚塊”的形狀和尺寸，如六邊形和正方形，從而調(diào)控其機械性能。

　　圖2珍珠層狀玻璃的堆疊結(jié)構(gòu)

　　通過穿刺試驗，可以明顯看到，夾層玻璃雖然強度較高，但刺穿時整塊玻璃產(chǎn)生大面積的裂紋，而珍珠層狀玻璃在刺穿點附近產(chǎn)生的是較均勻的塑性變形，整塊玻璃上裂紋很少，表明珍珠層狀玻璃有良好的塑性。但是，由于珍珠層狀玻璃的碎片化結(jié)構(gòu)，全部由碎片化的玻璃組裝的珍珠層狀玻璃（Hex[高等,L=1.5mm]）的強度和剛度只有常規(guī)夾層玻璃的一半。但這問題不大，只需將珍珠層狀玻璃頂層的一片玻璃板替換成未雕刻的玻璃板，形成頂部平板玻璃和四片碎片化玻璃組合的結(jié)構(gòu)（Hex[1P4A,L=1.5mm]），就可以將其剛度和強度提高到只比平板夾層玻璃低10-15%的水平。而另一方面，這種珍珠層結(jié)構(gòu)的玻璃穿刺能量可達(dá)平板夾層玻璃的2.5-4倍，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗沖擊性能。由此可見，珍珠層狀結(jié)構(gòu)在保持較高的強度和剛度的情況下，顯著提高了玻璃的韌性和抗沖擊性能。

　　圖3三種結(jié)構(gòu)的玻璃的穿刺實驗(A)；穿刺力-剛度關(guān)系圖和穿刺能量-穿刺力關(guān)系圖(B)

　　當(dāng)然，作為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲腥藛T，僅僅設(shè)計出性能優(yōu)異的材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更重要的是解釋其深層次的原理。不光要解釋做了什么，更重要的是說清楚為什么？為什么珍珠層狀玻璃具有更好的韌性？作者通過微計算機斷層掃描技術(shù)追蹤了玻璃上各部位的滑動量，從而為我們揭曉，圖4為平板夾層玻璃、正方形碎片結(jié)構(gòu)的珍珠層狀玻璃、六邊形碎片結(jié)構(gòu)的珍珠層狀玻璃的三維斷層掃描圖，可以看到，普通的平板夾層玻璃在刺穿點附近變形程度較小，整塊玻璃上的變形較不均勻，且產(chǎn)生了大量裂紋。而珍珠層狀玻璃在刺穿點處變形量大，整塊玻璃上的變形均勻，且沒有明顯裂紋產(chǎn)生。

　　圖4三種結(jié)構(gòu)的玻璃的微計算機斷層掃描圖（Micro-CT）

　　僅僅定性分析還不夠，作者更進(jìn)一步，掏出了更確切的證據(jù)——玻璃板的滑動量分布。從底層玻璃板的滑動分布圖，可看到珍珠層狀玻璃不僅各部位滑動量非常大，且滑動量分布也很均勻（相比之下，普通平板玻璃在各個裂紋處的滑動量非常大，其他位置滑動量很?。Ａ硪环矫妫€可確認(rèn)平板夾層玻璃與珍珠層狀玻璃滑動機制上的區(qū)別，平板夾層玻璃中各部位產(chǎn)生的是整齊的單向滑動（uniform sliding），而珍珠層狀玻璃中的滑動機制與珍珠層結(jié)構(gòu)的滑動機制類似，以各碎塊的單軸平板滑動（uniaxial tablet sliding）和雙軸平板滑動（Biaxialtablet sliding）為主，充分證明這種珍珠層狀的玻璃與天然珍珠層不僅“形同”，而且“神似”，因此能夠具有與天然珍珠層類似的高度韌性。

　　圖5三種結(jié)構(gòu)的玻璃滑動量分布及滑動機制分析

　　圖6玻璃碎塊的滑動機制

　　于是，有了珍珠層結(jié)構(gòu)這一“自然之力”的饋贈，這種玻璃自然如有神助，在抗沖擊性上華麗擊敗了其他對手，足見大自然的非凡智慧。

　　圖7幾種玻璃材料的沖擊試驗

　　一塊玻璃固然脆弱，但“打碎”它卻能讓它重獲變新。不過，僅僅是一堆玻璃渣堆成的“烏合之眾”可不行，只有組成盎然有序，合理分工的“正義之師”，才能擁有強大的力量。在效率高、合理的機制下，小小碎片也能爆發(fā)小目前市場承受巨大力量，這也提醒我們，掌握了材料深層次的作用機制和規(guī)則，就能更好的發(fā)揮材料的性能。