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聽過魯珀特之淚嗎？它被稱為世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一，事實(shí)上鋼化玻璃的制造原理與它類似，當(dāng)你理解這種魯珀特之淚背后的原理，那么也就懂了鋼化玻璃。  魯珀特之淚當(dāng)你把熔化的玻璃滴入水中時(shí)，玻璃會(huì)迅速冷凝，形成一個(gè)帶有長長尾巴的類似于水滴狀的玻璃結(jié)構(gòu)。通過這種方式得到的玻璃珠也被稱為“魯珀特之淚”。 這個(gè)名字的由來，據(jù)傳是查理一世國王的侄子魯珀特在1660年率先將這種奇特的玻璃制品帶到英格蘭的。當(dāng)時(shí)在朝廷，魯珀特常用這個(gè)小東西戲弄人，于是它被稱為魯珀特之淚。  魯珀特之淚神奇的一面 這個(gè)看似普通的玻璃結(jié)構(gòu)擁有與普通玻璃完全不同的性質(zhì)，它的頭部異常堅(jiān)硬。一個(gè)指甲蓋大小的玻璃頭，就可以承受20多噸的壓力，甚至如果你用子彈轟擊它的頭部，被轟碎的也是子彈自身。  之所以魯珀特之淚會(huì)擁有這么“變態(tài)”的性質(zhì)，這與它內(nèi)部的受力有關(guān)，其內(nèi)部的受力還得從它的形成開始說起。 當(dāng)熔融狀的玻璃液滴滴入水中時(shí)，液滴的外表面接觸水后會(huì)迅速冷卻固化形成外殼，但其殼內(nèi)的玻璃還處于高溫狀態(tài)仍然是液態(tài)。當(dāng)內(nèi)部液態(tài)玻璃溫度逐漸降低，體積開始收縮，收縮過程會(huì)使玻璃表面產(chǎn)生一個(gè)巨大的壓應(yīng)力，而內(nèi)部被外表層拉伸，產(chǎn)生拉應(yīng)力。  而正是表面這層玻璃形成的壓應(yīng)力，使魯珀特之淚的頭部擁有超高的強(qiáng)度。 我們知道，玻璃的碎裂其實(shí)就是裂紋的擴(kuò)展，但對于魯伯特之淚而言，即使其表面受外力而產(chǎn)生了微裂紋，但表面巨大的壓應(yīng)力會(huì)阻止微裂紋進(jìn)一步的擴(kuò)大，因此從宏觀上它擁有超高的抵抗外界壓力的能力，很難破碎。  但魯珀特之淚還有一個(gè)特別有趣的地方，就是它的尾部特別脆弱，并且一旦尾部被擊碎，整個(gè)魯珀特之淚也會(huì)瞬間被粉碎。之所以會(huì)產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是因?yàn)檎麄€(gè)魯珀特之淚內(nèi)部擁有極大的內(nèi)應(yīng)力，這個(gè)應(yīng)力可以達(dá)到7000倍的大氣壓。表面的壓應(yīng)力與內(nèi)部的拉應(yīng)力形成了一個(gè)受力平衡，但這種平衡一旦被打破，則會(huì)瞬間失衡而爆裂。 由于魯珀特之淚擁有一條細(xì)長的尾部，在凝固過程中尾部內(nèi)外部冷卻速度接近，壓應(yīng)力產(chǎn)生的強(qiáng)化作用有限，因此比較脆弱。如果尾部一旦破碎，尾部的淺裂紋會(huì)沿著軸線深入頭部，整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力失衡，導(dǎo)致整體的爆裂。  鋼化玻璃原理類似事實(shí)上鋼化玻璃分為兩種，一種是物理鋼化，一種是化學(xué)鋼化。 物理鋼化 物理原理與上面形成魯珀特之淚的原理類似，也是經(jīng)過一個(gè)急冷的過程。 正常的玻璃生產(chǎn)是將原料熔融后形成均勻沒有氣泡的玻璃液，玻璃液下降至一定溫度后黏度變大，具有很大的塑性，此時(shí)便可以對玻璃進(jìn)行機(jī)械加工，壓延形成平板形狀。冷卻后的玻璃內(nèi)部還具有一定的應(yīng)力，因此還要將玻璃在較低溫度下進(jìn)行加熱后冷卻，進(jìn)行退火處理，消除內(nèi)應(yīng)力，形成一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。  而鋼化玻璃則要在上述工藝最后再補(bǔ)上一個(gè)強(qiáng)化的步驟，具體過程就是在得到普通玻璃的基礎(chǔ)上，再降其加熱到650℃到700℃左右的玻璃軟化點(diǎn)附近，然后在玻璃兩側(cè)同時(shí)用高壓氣流吹氣，使之急速冷卻。玻璃表面快速收縮并固化，于是玻璃會(huì)形成具有巨大壓應(yīng)力的表層，之后冷卻的中心部則會(huì)產(chǎn)生很高的內(nèi)部拉應(yīng)力。這整個(gè)變化過程與魯珀特之淚基本類似，玻璃兩側(cè)將形成各自約為1/6玻璃厚的壓應(yīng)力層，上述過程也被稱為鋼化過程。鋼化后的玻璃同樣具有很高的強(qiáng)度，強(qiáng)化原理與魯珀特之淚一樣，這里就不在贅述了。 化學(xué)鋼化 化學(xué)鋼化則是利用化學(xué)方法進(jìn)行強(qiáng)化，這種方法是將將含堿金屬離子的玻璃浸沒在熔融堿鹽中加熱保溫一段時(shí)間。在浸沒過程中，玻璃內(nèi)足夠接近表面的堿金屬離子能夠與熔鹽中堿金屬離子發(fā)生置換，當(dāng)熔融堿鹽中堿金屬離子半徑大于玻璃內(nèi)部堿金屬離子半徑時(shí)，就會(huì)在玻璃表面形成擠壓效應(yīng)，從而引入壓應(yīng)力使得玻璃強(qiáng)度增加。  一般來說，由于采用鋼化技術(shù)成本較高，因此通過化學(xué)強(qiáng)化的鋼化玻璃一般都用在手機(jī)、平板顯示器，高鐵、飛機(jī)擋風(fēng)玻璃等產(chǎn)品上。 鋼化玻璃的獨(dú)特性能前面已經(jīng)說過，鋼化玻璃表面擁有很強(qiáng)的壓應(yīng)力，因此比起普通玻璃各方面的性能更強(qiáng)。主要表現(xiàn)在下面幾點(diǎn)。
 不過鋼化玻璃存在一個(gè)自爆現(xiàn)象，在未受到外界機(jī)械外力作用的情況下，鋼化玻璃可能會(huì)發(fā)生自身爆裂，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，普通鋼化玻璃的自爆率在1~3‰左右。 鋼化玻璃之所以會(huì)發(fā)生自爆，根據(jù)研究表明，其中一個(gè)重要的原因是玻璃中存在的硫化鎳雜質(zhì)粒子因溫度差發(fā)生相變，NiS一般為結(jié)晶體，室溫下有α相向β相轉(zhuǎn)變的熱力學(xué)傾向，并伴有2%~3%的體積膨脹，這種變化可引起鋼化玻璃自爆。 由于鋼化爆裂后會(huì)瞬間變成無數(shù)小片的碎塊，因此為安全起見，很多鋼化玻璃都會(huì)在玻璃之間夾上PVB中間膜，這種膜具有很強(qiáng)的韌性，通過鋼化玻璃與這種薄膜符合，不僅能進(jìn)一步提高整塊玻璃的強(qiáng)度，同時(shí)還能夠使玻璃在外力作用碎裂時(shí)，吸收大量的沖擊能量并使之迅速衰減，同時(shí)還能夠保持玻璃的整體形狀，防止人體被碎片砸傷。  |
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