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Science:這塊玻璃,敲不碎
發布:Iron_MAN10   時間:2019/8/13 8:33:43   閱讀:213 
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2018年5月14日,重慶飛往拉薩的3U8633航班在起飛42分鐘后,駕駛艙右座前風擋玻璃突然破裂并脫落,瞬間失壓,機內溫度驟降,萬幸的是,機組人員應對得當,成功備降成都雙流機場,所有乘客平安落地。
 

駕駛艙玻璃突然破裂并脫落。圖片來源:鳳凰網 [1]

“川航5.14事件”只是玻璃破裂導致大量事故中的一個。玻璃的透明度、硬度、耐久性都不錯,物美價廉,是應用非常廣泛的材料。然而,玻璃同時也很脆,不耐沖擊,往往是交通工具、建筑物以及智能手機中最薄弱的環節(那些年,我們一起碎過的手機屏……)。目前,除了利用回火來提高強度和抗沖擊性的鋼化玻璃之外,還有就是在玻璃板中嵌入聚合物層,形成夾層玻璃,很多景區的玻璃棧道就是采用的這種設計。不過,這些方法可以增加玻璃復合材料的強度,并不能真正提高其中玻璃部分的韌性,讓人踩上去時難免心驚膽戰。
 

自帶“驚喜”效果的玻璃棧道。圖片來源于網絡

近期,加拿大麥吉爾大學Francois Barthelat教授課題組在Science 發表文章,報道了一種抗沖擊的仿生玻璃復合材料,其靈感來源是自然界的貝殼珍珠層(nacre)。這種具有類似珍珠層3D“磚-泥(brick-and-mortar)”微觀結構的玻璃,在保留高透明度、強度和剛度的同時,還具有高韌性,它的抗沖擊性比夾層玻璃和鋼化玻璃高2到3倍,比起普通玻璃來更是要高15到24倍。
 

仿珍珠層抗沖擊玻璃。圖片來源:Science [2]

先來說說貝殼珍珠層(也稱“珍珠母”)。貝類的外殼具有良好的強度和韌性,可以?;つ誆咳崛淼納硤?,這要得益于珍珠層獨特的片層堆疊方式,即將扁平多邊形“磚”(碳酸鈣)嵌入到了有機物“泥”中。
 

貝殼珍珠層結構。圖片來源:PNAS [3]

研究者希望將珍珠層的這種3D“磚-泥”微觀結構“拷貝”到玻璃材料上來。他們利用脈沖激光束在220微米厚的普通硼硅酸鹽玻璃板上雕刻出正方形或六邊形圖案,制備了玻璃片層。乙烯-醋酸乙烯酯共聚物(EVA)由于剪切變形能力很強(大于800%),研究者因此選用其作為玻璃片層之間的高分子粘結層,可以有效吸收沖擊過程中的高能量。通過玻璃片層和EVA層(約125微米厚)交叉疊加,再層壓就得到了仿珍珠層玻璃(下圖B)。
 

仿珍珠層玻璃的設計和制造。圖片來源:Science

上述制備過程中有個細節非常關鍵,那就是硼硅酸鹽玻璃板激光雕刻的程度要把控的剛剛好。既不能太狠,雕刻之后的玻璃還要能保持片層完整,不至于一碰就散開;又要足夠狠,在后續的層壓過程中刻出的每個小片都要能夠斷開,受控地相互分離,如此才能“拷貝”珍珠層的3D“磚-泥”微觀結構。除了小片形狀上正方形和六邊形的不同,作者還嘗試了不同小片尺寸以及不同層疊方式對于仿珍珠層玻璃性能的影響。首先測試的是透明度,在可見光范圍內,仿珍珠層玻璃的透光率比普通夾層玻璃的透光率只低10%左右,也沒有任何圖像失真(上圖D)。
 

彎曲試驗。圖片來源:Science

作者又對不同結構的仿珍珠層玻璃和作為對照的硼硅酸鹽玻璃、EVA片和常規夾層玻璃進行了穿刺實驗。仿珍珠層玻璃的結構有4種:5層雕刻正方形圖案玻璃(Sq[5A])、1層平板玻璃頂層加上4層雕刻正方形圖案玻璃(Sq[1P4A])、5層雕刻六邊形圖案玻璃(Hex[5A])、1層平板玻璃頂層加上4層雕刻六邊形圖案玻璃(Hex[1P4A])。這些仿珍珠層玻璃的厚度僅有1.6毫米。實驗結果表明,Hex[1P4A]結構的綜合性能最佳,也就是說六邊形小片要在相同條件下優于正方形小片。相比之下,如果沒有平板玻璃頂層,仿珍珠層玻璃的表面硬度、強度、防水性、結構穩定性都會下降。而小片尺寸較?。↙ = 1.5毫米)時,小片可在受壓時滑動,且不會碎裂,表現出了更好的性能。
 


穿刺實驗。圖片來源:Science

界面的剪切變形是仿珍珠層玻璃韌性的主要來源,也是能量耗散的主要機制。通過對仿珍珠層玻璃的顯微CT掃描和模擬,研究者分析了界面處的剪切變形數量和類型。通過量化計算,夾層玻璃中的界面滑動距離相對較小,而仿珍珠層玻璃的滑動距離更大,分布也更均勻。
 

顯微CT掃描和分析。圖片來源:Science

最后是抗沖擊實驗,測試對象是50毫米 × 50毫米 × 3毫米的仿珍珠層玻璃以及普通硼硅酸鹽玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)片、常規夾層玻璃、鋼化玻璃。其中仿珍珠層玻璃采用Hex[2P8A](L = 1.5毫米)結構,即2層平板玻璃頂層加上8層雕刻六邊形圖案玻璃依靠EVA層壓而成。結果表明,PMMA材料最輕,卻也最不堪一擊。而基于Hex[2P8A]結構的仿珍珠層玻璃取得了最終的“勝利”,其抗沖擊性能遠高于鋼化玻璃和夾層玻璃,而且被沖擊后幾乎沒有產生碎片。
 


沖擊實驗。圖片來源:Science

整個制備過程中,所用到的激光雕刻和層壓制造方法十分常見,成本低廉,適用于大規模生產以及各種應用,包括汽車和建筑上的玻璃、光伏系統、?;そ峁溝?。“我們正在開發可彎曲版本的仿珍珠層玻璃”,Barthelat說 [4]。

英國諾丁漢大學的工程師Kyriaki Corina Datsiou說:“貝殼的結構已經被發現幾十年了,但這是第一次被用于夾層玻璃。”向自然學習,看來關鍵還是要想前人所未想啊。

原文(掃描或長按二維碼,識別后直達原文頁面,或點此查看原文https://science.sciencemag.org/content/364/6447/1260):

Impact-resistant nacre-like transparent materials
Z. Yin, F. Hannard, F. Barthelat
Science, 2019, 364, 1260-1263, DOI: 10.1126/science.aaw8988

參考資料:

1. 玻璃破裂川航航班細節:起飛42分鐘后
//news.ifeng.com/a/20180615/58744557_0.shtml

2. Kyriaki Corinna Datsiou. Bioinspired improvement of laminated glass. Science, 2019, 364, 1232-1233. DOI: 10.1126/science.aax9677
https://science.sciencemag.org/content/364/6447/1232

3. Luo W, Ba?ant Zdeněk P. Fishnet model for failure probability tail of nacre-like imbricated lamellar materials. PNAS, 2017, 114, 12900-12905. DOI: 10.1073/pnas.1714103114
https://www.pnas.org/content/114/49/12900

4. New type of glass inspired by nature is more resistant to impacts
https://phys.org/news/2019-06-glass-nature-resistant-impacts.html


來源:X-MOL
 
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