真有“砸不碎”的玻璃嗎

李曉宇 等

提到玻璃，你會想到什么詞語來形容它？易碎、透明、美觀。

國外曾有一個趣味挑戰(zhàn)，在一個玻璃箱內(nèi)裝滿了錢，如果能用錘子將玻璃箱砸碎，就可以拿走箱子里所有的錢。一個壯年男子掄圓了錘子砸下去，玻璃箱依然絲毫無損。

難道真有“砸不碎”的玻璃嗎？

當(dāng)然有！這種“砸不碎”的玻璃就是鋁硅酸鹽玻璃。其實(shí)鋁硅酸鹽玻璃在我們生活中每天都會接觸到，用途最廣的就是高檔手機(jī)或顯示器的蓋板！

鋁硅酸鹽玻璃材料本身強(qiáng)度很低，因?yàn)槠浔砻娲嬖诖罅咳庋鄄豢梢姷奈⒘鸭y，采用化學(xué)強(qiáng)化技術(shù)增強(qiáng)之后，其強(qiáng)度能夠得到5～7倍的增長，硬度、耐劃傷性也顯著提高。

化學(xué)強(qiáng)化技術(shù)，指的是將含堿金屬離子的玻璃浸沒在熔融堿鹽中的加熱保溫一段時(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的堿金屬離子發(fā)生置換，當(dāng)熔融堿鹽中的堿金屬離子半徑大于玻璃內(nèi)部的堿金屬離子半徑時(shí)，就會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。

其實(shí)，不只是手機(jī)顯示屏和平板電腦觸摸屏等采用了化學(xué)強(qiáng)化技術(shù)，我們外出經(jīng)常乘坐的高鐵、飛機(jī)風(fēng)擋玻璃采用的材料也是化學(xué)強(qiáng)化玻璃。

客機(jī)風(fēng)擋玻璃最初采用的是一種與化學(xué)強(qiáng)化玻璃類似的材料，叫作物理強(qiáng)化玻璃。化學(xué)強(qiáng)化是通過改變玻璃的結(jié)構(gòu)、成分等化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)化的過程，而物理強(qiáng)化則是不改變玻璃化學(xué)性質(zhì)，單純通過物理過程進(jìn)行強(qiáng)化。

近年來，美、法、德等國家通過設(shè)計(jì)特殊組分，開發(fā)了鋰、鋁、硅組分的專用平板玻璃。這種玻璃由于鋁氧四面體體積大于硅氧四面體，導(dǎo)致玻璃結(jié)構(gòu)疏松、空隙變大，使得化學(xué)強(qiáng)化的離子擴(kuò)散過程變得容易，極大地縮短了化學(xué)強(qiáng)化時(shí)間，提高了強(qiáng)化效率，在5小時(shí)化學(xué)強(qiáng)化時(shí)間內(nèi)鋁硅酸鹽玻璃強(qiáng)度能提高5～7倍。化學(xué)強(qiáng)化玻璃較物理強(qiáng)化玻璃成本仍較高，目前主要用于飛機(jī)、高鐵的風(fēng)擋，以及手機(jī)、平板顯示屏等高新技術(shù)領(lǐng)域。

鋁硅酸鹽玻璃的生產(chǎn)難度較大，多年來一直被國外壟斷，目前主要有美國的康寧公司、德國的肖特公司、日本的旭硝子公司等能夠提供商業(yè)化的鋁硅酸鹽玻璃制品。我國鋁硅酸鹽玻璃的規(guī)模化制備尚處于起步階段，但發(fā)展很快。

既然化學(xué)強(qiáng)化玻璃是“砸不碎”的玻璃，那么2018年發(fā)生的川航“5·14”事件中，風(fēng)擋玻璃為何會破碎，甚至脫落，給機(jī)組人員和乘客造成如此大的安全事故呢？

2020年6月2日，中國民航局針對該事件的具體原因出具的調(diào)查報(bào)告指出，本次事件最可能的原因是右風(fēng)擋玻璃的封嚴(yán)破損導(dǎo)致，水汽滲入風(fēng)擋玻璃夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)，用于風(fēng)擋玻璃電加溫的電源導(dǎo)線，長期浸泡后導(dǎo)致絕緣性降低。在風(fēng)擋左下部拐角處產(chǎn)生持續(xù)放電現(xiàn)象，電弧產(chǎn)生的局部高溫導(dǎo)致玻璃表面出現(xiàn)裂紋，風(fēng)擋玻璃在持續(xù)服役過程中，裂紋受力擴(kuò)展，導(dǎo)致整個風(fēng)擋玻璃破碎，從而造成了事故的發(fā)生。

強(qiáng)化玻璃盡管強(qiáng)度很高，但很怕應(yīng)力集中產(chǎn)生的裂紋。一旦產(chǎn)生裂紋，在繼續(xù)受力狀態(tài)下，裂紋很容易發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致整個玻璃破碎。央視某欄目曾對采用物理強(qiáng)化技術(shù)制備的一種叫作“魯伯特之淚”的淚滴狀玻璃珠進(jìn)行過現(xiàn)場試驗(yàn)：將熔化的玻璃靠自重自然滴入冰水中，就會形成形狀類似蝌蚪的“玻璃淚滴”，俗稱“魯伯特之淚”。若抓住其纖細(xì)的尾巴，稍微施加一點(diǎn)點(diǎn)壓力形成裂紋，該處裂紋會瞬間向內(nèi)擴(kuò)展，導(dǎo)致整顆玻璃珠爆裂四濺，徹底粉碎。

當(dāng)然，“魯伯特之淚”是在比較極端的條件下制備出的物理強(qiáng)化玻璃，實(shí)際生產(chǎn)過程是需要調(diào)控整個玻璃壓應(yīng)力和張應(yīng)力的分布狀態(tài)，以達(dá)到提高強(qiáng)度的效果，同時(shí)避免應(yīng)力不平衡。

化學(xué)強(qiáng)化玻璃與物理強(qiáng)化玻璃相比，內(nèi)部張應(yīng)力較小，同時(shí)制備飛機(jī)風(fēng)擋玻璃時(shí)會在多層強(qiáng)化玻璃中間采用透明彈性材料粘接而成，避免多層強(qiáng)化玻璃同時(shí)破損造成安全事故。

綜上所述，這也是景區(qū)的玻璃棧道都禁止攜帶任何尖銳物品的原因。同時(shí)，為什么在文章開始提到的“砸玻璃箱”挑戰(zhàn)中，游戲組織人員會在玻璃箱外放置一把大錘子，而不是任何尖銳物，“砸不碎”的玻璃也只能在一定條件下“不碎”。

現(xiàn)在，你大概可以想到用什么方法能夠獲得玻璃箱內(nèi)的錢了吧？

（裴金超摘自《科普時(shí)報(bào)》）