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超薄超强度的未来玻璃是如何诞生的

来源:腾讯科技 发布日期:2012-09-27 14:59:27 阅读量:

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北京时间9月27日消息,某杂志近日刊载文章,讲述了特殊玻璃和陶瓷材料的全球领导厂商康宁(Corning)是如何创造超薄的、强度超高的未来玻璃材料的。文章指出,玻璃是一种经常都会看到,以至于实际上已被人们熟视无睹的材料,但在实际上现代工业玻璃是极其复杂的一种东西

玻璃的生产过程中,较关的步骤之一是冷却。就标准玻璃的大规模生产而言,基本的原则是材料需要逐步地、均匀地冷却,这样做的目的是较小化内应力,否则玻璃就容易破裂。但钢化玻璃的目标是在材料内层和外层之间提供更大应力,这会让玻璃变得更有强度:加热一块玻璃,直到其软化为止,然后迅速冷却或淬火其外层表面;外层会迅速收缩,而内层则仍处于熔化状态。在玻璃的中心冷却时,内层也会尝试收缩,从而拉动外层收缩;中心位置会形成一个张力地带,而外层则被压缩得更加紧密。如果凿穿这种强化后的外部压缩层,达到内部的张力地带,那么钢化玻璃就会较终碎裂。但是,甚至就连热回火工艺也同样有其限制,玻璃被强化的量级要取决于玻璃本身在冷却时的收缩程度,而大多数的成分构成都只会适量收缩。
  
  压缩与张力之间的相互作用能用所谓“鲁珀特王子的玻璃滴”(PrinceRupert’sdrop,鲁珀特是莱茵王子,据说他喜欢用这种方式来恶作剧)的方法来进行较好的展示,也就是把熔化后的玻璃滴入冰水中,然后这些蝌蚪形状的玻璃滴将会迅速冷却和压缩,其“头部”将可承受数量庞大的“惩罚”,如连续的锤击等。但与此同时,“尾部”的条状玻璃则更脆弱一些;如果这一部分的条状玻璃破裂,那么裂痕就会以每小时2000英里(约合3218千米)的速度在整个玻璃滴中迅速传播开来,从而产生猛烈的后果。在某些情况下,“鲁珀特王子的玻璃滴”会发生爆炸,发出耀眼的光芒。
  
  用来强化玻璃的化学钢化方法是在二十世纪六十年代开发出来的,通过所谓“离子交换”的方式来创造一个压缩层。“大猩猩玻璃”等玻璃所包含的铝硅酸盐成分包括二氧化硅、铝、镁和纳等元素,当这种玻璃被放入加热熔化后的钾盐中时,就会受热扩张。纳和钾在元素周期表中处于同一个纵列中,这意味着它们的行为是相似的。来自于钾盐的热量会提高钠离子从玻璃中向外移动的速度,类似的钾离子也会比较容易地游入,找到自己的位置。但是,由于钾离子比钠离子大的缘故,前者会更加紧密地挤在这个空间中。在玻璃冷却时,这些离子被挤在变得狭小的空间里,这样一来玻璃表面的抗压应力层就形成了。与热强化玻璃相比,化学钢化玻璃拥有更强的表面压缩度。
  
  到3月底的时候,康宁完成了自己的公式设计。但是,这家公司还需要生产出这种玻璃。发明一种新的制造工艺是不可能的,因为那可能需要几年时间。为了在苹果给出的较后期限以前完成这项工作,康宁的两名成分构成科学家亚当·埃里森(AdamEllison)和马特·德吉内卡(MattDejneka)接到了一项任务,内容是找出如何改造公司已在使用的一种工艺,并对其进行故障排解。他们需要找出一种适合的工艺,能让康宁在短短几个星期时间里生产出大量超薄的玻璃。
  
  当时实际上仅有一种选择,那就是“熔融下拉”制程。在这种制程中,熔化后的玻璃会从一个水箱被倒入一条被称为“隔热管”(isopipe)的耐火槽中,从这条耐火槽的两边外溢,然后在隔热管的下方重新汇聚,由滚动按照规定的速度“下拉”,从而形成连续不断的玻璃薄片;下拉的速度越快,那么玻璃也就会越薄。

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