玻璃到底為什么會(huì)破裂？特種玻璃的發(fā)明人是否能防止玻璃破裂？ 在實(shí)驗(yàn)室，肖特專家揭開背后的秘密。

他謹(jǐn)慎地抬頭一看，暗示著有大事要發(fā)生。一位戴著手套和護(hù)目鏡的材料科學(xué)家按下一個(gè)紅色按鈕。房間里響起急促而響亮的嘶嘶聲，智能手機(jī)被夾著從兩米高處被摔向地面。由于從高處掉落，手機(jī)撞擊在堅(jiān)硬的地面后又在地面上彈了幾次，然而手機(jī)并沒有破碎。“哇，這個(gè)高度還真是挺高的。”研究人員邊說邊從地上撿起試驗(yàn)機(jī)。屋內(nèi)一片安靜。他檢查了手機(jī)上的玻璃，滿意地笑了：“撞擊力很大，但玻璃完好無損。此刻我非常激動(dòng)?！?/p>

探訪玻璃“終結(jié)者”

我們現(xiàn)在正在肖特位于德國(guó)耶拿的實(shí)驗(yàn)室里。材料專家Jochen Alkemper 在此工作。他負(fù)責(zé)研發(fā)蓋板玻璃，從沙子著手到研發(fā)出強(qiáng)化玻璃。他的工作就是優(yōu)化蓋板玻璃的堅(jiān)固程度。

玻璃到底為什么會(huì)碎？肖特的玻璃專家們又如何防止玻璃破碎呢？Jochen Alkemper解釋道：“研發(fā)抗碎裂玻璃是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，需要許多專家小組的相互協(xié)作。最開始是先研發(fā)出玻璃，然后是熔融和加工。”畢竟，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)再完美的玻璃最終還是要適用于量產(chǎn)。只有到最后這個(gè)環(huán)節(jié)才會(huì)進(jìn)行測(cè)試。“奧克泊說。

Jochen Alkemper 簡(jiǎn)介

Jochen Alkemper 博士于1998年入職肖特，此前他就讀于達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)，獲得材料科學(xué)博士學(xué)位。在美因茨期間，他任職于材料研發(fā)部，于2012年接管玻璃產(chǎn)品研發(fā)項(xiàng)目，助力打造肖特賽絢?蓋板玻璃系列產(chǎn)品。

蓋板玻璃的工藝奧秘

智能手機(jī)蓋板玻璃有多種不同的生產(chǎn)工藝?！耙环N是現(xiàn)有的是浮法玻璃制造工藝。我們賽絢?系列的生產(chǎn)線使用這種方法來制造適用于智能手機(jī)的抗碎裂蓋板玻璃，防火玻璃這樣的技術(shù)型玻璃也使用了這項(xiàng)工藝?！盝ochen Alkemper 說。浮法玻璃制造需要一定量的含有各種金屬氧化物和沙子的均勻混合物。混合物在1500攝氏度的環(huán)境下被熔融至粘稠狀。接著，這種蜂蜜狀物質(zhì)漂浮在錫液表面，被調(diào)至理想厚度，在控制工序下冷卻。最后，我們得到一塊大尺寸的平板玻璃，再把它切割成小塊，這就是玻璃原料。

 美國(guó)科技評(píng)論博主 Zack Nelson （視頻賬號(hào)JerryRigEverything)

玻璃就是玻璃。玻璃是會(huì)碎的。

“玻璃是易碎品，常常會(huì)突然碎裂，”Alkemper 說。接著他又補(bǔ)充道，后續(xù)加工能顯著提升玻璃的抗碎裂性能。為了更好地理解這一點(diǎn)，我們需要想象一下玻璃的原子結(jié)構(gòu)?！安ＡУ幕瘜W(xué)組成和加工后的表面質(zhì)量，對(duì)其抗碎裂性能和抗刮擦性能有很大影響?！?/p>

現(xiàn)代優(yōu)質(zhì)的蓋板玻璃通常以鋰和鋁混合物為基礎(chǔ)。這種類型的玻璃被稱為鋰鋁硅（LAS）玻璃。目前，還有一種更新型的玻璃——鋰鋁硼硅（LABS）玻璃，硼元素在其中起到很重要的作用。

更硬，更好，更堅(jiān)韌

有一些工藝可以增加玻璃的強(qiáng)度。例如物理強(qiáng)化，這種工藝被廣泛應(yīng)用于建筑玻璃。玻璃板被均勻加熱至接近攝氏100°C，高于變形所需的溫度。然后玻璃表面被迅速冷卻，此時(shí)玻璃內(nèi)部溫度暫時(shí)高于其表面。這會(huì)向玻璃內(nèi)部施加壓應(yīng)力，使它更堅(jiān)固。另一種工藝是使用夾層玻璃，例如汽車擋風(fēng)玻璃使用的就是這項(xiàng)工藝。夾層玻璃至少由兩塊玻璃通過中間塑料層永久粘合而成。

但是這兩種工藝并不適用于智能手機(jī)蓋板玻璃，因?yàn)檫@種玻璃比一般車用和建筑用玻璃要求更高。例如，蓋板玻璃必須能承受掉落在水泥地等堅(jiān)硬地面時(shí)產(chǎn)生的沖擊。此外，蓋板玻璃太薄無法進(jìn)行物理強(qiáng)化。因此，只能依靠化學(xué)強(qiáng)化來解決這個(gè)問題。

化學(xué)強(qiáng)化——制造堅(jiān)固蓋板玻璃的不二之選

無論是鋰鋁硅（LAS）蓋板玻璃還是鋰鋁硼硅（LABS）蓋板玻璃，都需要化學(xué)強(qiáng)化。“我們不會(huì)對(duì)玻璃進(jìn)行物理強(qiáng)化，而是通過化學(xué)過程使玻璃具有壓應(yīng)力，來應(yīng)對(duì)導(dǎo)致碎裂的拉應(yīng)力。這樣，在遭受沖擊或彎曲導(dǎo)致的拉應(yīng)力時(shí)，玻璃的耐受性會(huì)更好?！辈Ａ＜?Jochen Alkemper 解釋道。

高性能蓋板玻璃肖特賽絢?α

在研發(fā)賽絢?α（Alpha）產(chǎn)品時(shí)，肖特也研發(fā)出一種經(jīng)過兩步化學(xué)強(qiáng)化工藝制成的鋰鋁硼硅（LABS）蓋板玻璃。和其他優(yōu)質(zhì)鋰鋁硅（LAS）玻璃相比，這種玻璃類型顯著提升了抗跌落破損性能（被稱作“整機(jī)跌落性能”或“跌落性能”），當(dāng)它掉落在粗糙、起伏不平或邊緣尖銳的表面時(shí)，抗摔性能尤其出色。目前，這種蓋板玻璃已經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，中國(guó)頂級(jí)智能手機(jī)制造商 vivo 和 iQOO 均在使用。

高性能蓋板玻璃肖特賽絢?α

化學(xué)強(qiáng)化一步法：將原料玻璃浸入到熔融狀態(tài)的鉀鹽中，由于玻璃表層含有許多鈉離子，在玻璃表層的鉀離子與鈉離子發(fā)生交換。鉀離子體積更大，玻璃表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。由于鉀離子無法完全穿透玻璃，這種壓應(yīng)力從表層向內(nèi)逐漸遞減。所以在玻璃內(nèi)部，產(chǎn)生了一股與玻璃表面的壓應(yīng)力反向的拉應(yīng)力，即一股相反的力。

制造最新一代含鋰玻璃（鋰鋁硅LAS和鋰鋁硼硅LABS玻璃）化學(xué)強(qiáng)化需要兩個(gè)步驟：第一步，鋰離子與鈉離子發(fā)生交換。鈉離子比鋰離子大，因此形成初始應(yīng)力。第二步，鈉離子再與更大的鉀離子發(fā)生交換。相比之前的一步法，兩步法能使玻璃實(shí)現(xiàn)更深層的強(qiáng)化，玻璃在受到?jīng)_擊時(shí)，抗跌落破損性能尤其出色。

化學(xué)強(qiáng)化過程

圖片顯示鉀、鈉、鋰等各種化學(xué)元素

當(dāng)玻璃碎裂時(shí)，分子層面究竟發(fā)生了什么？

為了找到答案，我們拜訪了物理學(xué)家 Inge Burger。她任職于美因茨的肖特研發(fā)部，是蓋板玻璃強(qiáng)度和質(zhì)量專家。在過去的十多年，這位專家日復(fù)一日地研究蓋板玻璃和其他玻璃的強(qiáng)度。每次她都用不同的方式一遍遍地測(cè)試玻璃。

Inge Burger 簡(jiǎn)介

Inge Burger 擁有物理學(xué)位。從維爾茨堡大學(xué)畢業(yè)后，她專注于測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，于2007年加入肖特。她研究的專業(yè)領(lǐng)域是玻璃破碎及其對(duì)強(qiáng)度的影響。自2010年起，她深度參與了蓋板玻璃的強(qiáng)度研究，主要研究方向包括彎曲、沖擊、抗刮擦和裂紋的影響。

玻璃的表面和邊緣至關(guān)重要

“對(duì)任何的玻璃來說，表面加工都是關(guān)系抗跌落破損性能的關(guān)鍵工藝。玻璃原料的表面和邊緣越是完美無缺陷，玻璃破碎的可能性就越小?！?Inge Burger 說，她正站在一個(gè)測(cè)試設(shè)備前，設(shè)備上裝載著一塊又薄又柔韌的玻璃。她按下按鈕，玻璃就開始彎曲，接著出現(xiàn)裂紋，然后碎成小塊，從測(cè)試設(shè)備上散落。

“這項(xiàng)測(cè)試表明這塊玻璃并未經(jīng)過化學(xué)強(qiáng)化。所以它在彎曲壓力下，很快就碎了?！辈裨u(píng)論道?！拔覀?cè)僭囈淮巍！?測(cè)試條件不變，她選了經(jīng)過化學(xué)強(qiáng)化的玻璃，厚度與之前那塊相同。按下按鈕，機(jī)器啟動(dòng)；玻璃開始彎曲，持續(xù)彎曲。突然聽到了毫無征兆的一聲巨響，這塊玻璃立即碎成了上千塊碎片。

一名女性用手彎折肖特超薄玻璃

超薄玻璃如今已實(shí)現(xiàn)小于1mm的曲率半徑

未來折疊智能手機(jī)的各種可能選項(xiàng)

折疊手機(jī)是智能手機(jī)的未來可能

現(xiàn)在，經(jīng)過化學(xué)強(qiáng)化的薄玻璃曲率半徑已經(jīng)可小于1mm。不過，這并不是我們的終點(diǎn)。

“預(yù)應(yīng)力使玻璃在碎裂之前有很大的彎曲量。在破碎臨界點(diǎn)上，它承受了巨大的張力，然后突然碎掉。這就是離子鍵斷裂時(shí)，力以裂紋的形式釋放出來，導(dǎo)致玻璃破碎?！?/p>

這也解釋了手機(jī)掉落后為何會(huì)形成碎屏。如果經(jīng)過化學(xué)強(qiáng)化的玻璃碎了，裂痕會(huì)同時(shí)向不同方延伸，形成蜘蛛網(wǎng)狀外觀。由于蓋板玻璃和智能手機(jī)顯示設(shè)備相連，碎裂的玻璃尚能保持其原有形狀。

以防萬一：蓋板玻璃必須達(dá)到要求

對(duì)專業(yè)玻璃制造商而言，材料的質(zhì)量至關(guān)重要，是所有玻璃特性的基礎(chǔ)。另外，玻璃原料以及優(yōu)化化學(xué)強(qiáng)化過程都對(duì)玻璃的特性有重要影響。在加工階段，減少玻璃表面和邊緣的缺陷也十分重要。堅(jiān)固的智能手機(jī)蓋板玻璃也不例外。然而，玻璃在化學(xué)強(qiáng)化過程中被引入的壓應(yīng)力極大地提高了蓋板玻璃的強(qiáng)度。相比加工其他類型玻璃時(shí)使用的一步強(qiáng)化法，加工現(xiàn)代鋰鋁硅玻璃和前沿鋰鋁硼硅玻璃時(shí)使用的兩步強(qiáng)化法工藝更先進(jìn)。尤其是鋰鋁硼硅玻璃可極大地提升手機(jī)在堅(jiān)硬地面上的抗摔性能。

為什么掉落高度在跌落測(cè)試中意義不大

現(xiàn)代智能手機(jī)抵御進(jìn)水、灰塵或者落地沖擊力這類外部影響的能力越來越強(qiáng)。在電子設(shè)備上安裝玻璃與選擇蓋板玻璃的規(guī)格，兩者對(duì)抗碎裂性能的影響同樣重要，比如手機(jī)上的玻璃面板。電子設(shè)備的設(shè)計(jì)同樣也極大地影響著玻璃的性能——這種影響可能是積極的也可能是消極的。蓋板玻璃強(qiáng)化后的厚度也很重要。一般來說，厚度越大，抗摔性能越好。然而，隨著現(xiàn)代智能手機(jī)設(shè)計(jì)日益追求輕薄化，玻璃也需要盡可能減重。高性能蓋板玻璃需要在小于0.7毫米的厚度下保持性能不變。保持性能且兼顧輕薄，我們需要不斷找尋兩全其美的方案。

人類何時(shí)才能用上不會(huì)碎的玻璃？

Inge Burger 笑著說道：“最新的蓋板玻璃已經(jīng)接近不碎，但這并不是技術(shù)終點(diǎn)。我們一定會(huì)堅(jiān)持不懈地開展研發(fā)工作，向不會(huì)碎的玻璃邁進(jìn)。”