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中科院研制出高熵玻璃 多項指標遠超美國康寧 手機屏“想碎都難”不是夢

2021-09-09

日前,中國科學院過程工程研究所研究員李建強團隊研制出一種高熵玻璃。這種玻璃樣品具有破紀錄的硬度和模量,多項指標遠超美國康寧公司的主流產品——第六代大猩猩玻璃(曾被稱為有史以來最“堅強”手機屏幕)。該成果已在《細胞》子刊iScience上發表。

“這種氧化物高熵玻璃,具有破紀錄的硬度和模量,以及優異的斷裂韌性?!崩罱◤姼嬖V《中國科學報》,“玻璃樣品在硬度、模量和斷裂韌性上遠超第六代大猩猩玻璃,在蓋板玻璃領域具有重要的潛在應用?!?/span>


高熵是近年來合金、陶瓷等領域對一類新型材料體系的稱呼,這一概念最早來自于高熵合金。李建強介紹,作為一種全新的材料體系,高熵材料打破了傳統材料的設計理念,在金屬、陶瓷及金屬間化合物等領域受到廣泛關注。與傳統材料相比,高熵材料在力學、物理和化學性能等方面表現出獨特優勢,目前已成為國際材料學術界的重要研究熱點之一。


傳統的合金材料主要由一兩種主要組元組成,再加入一些其他微量元素提升特性。而高熵合金的主要組元通常為四五種以上,且各種組元的含量接近等比例。


“熵可以用于描述一個體系的復雜程度,高熵可以理解為高的混亂度。高熵材料與常規材料體系相比,具有更高的混亂度?,F有研究認為,這種混亂度在某些方面可以打破常規,從而產生一些意想不到的性能?!闭撐牡谝蛔髡?、中國科學院大學在讀博士生郭永昶對《中國科學報》說,“以往概念中,合金中加的金屬種類越多,就會越脆,但高熵合金和以往的合金不同,添加多種金屬也不會脆化,是一種顛覆性的材料設計新方法?!?/span>


除此之外,李建強解釋道,模量(指楊氏模量)是描述固體材料在外力作用下抵抗彈性形變能力的物理量,高模量可以在一定程度上反映玻璃抵抗劃痕的能力。


“作者報告了3種新型的多組分玻璃,通過無容器熔體急冷工藝制備,可以使玻璃具有很高的硬度和楊氏模量……”該論文審稿人評論說,“這些結果引起了材料科學界的很大興趣?!?/span>


“硬核”技術造就更強


隨著手機、平板電腦等電子產品越來越輕薄、屏幕越來越大,對蓋板玻璃的各項性能要求也越來越高。在蓋板玻璃的抗摔性測試方面,主流的方法是將樣機從一定高度下自由掉落,然后統計蓋板玻璃的破碎情況。


2018年,康寧公司宣布第六代大猩猩玻璃研制成功。根據該公司實驗室數據,第六代大猩猩玻璃從1米的高度跌落到粗糙的平面上,可以經受15次摔打而不破損。


市場調查顯示,人們平均每年手機意外掉落的次數約為7次。使用第六代大猩猩玻璃,在不需要手機殼和鋼化膜的情況下,仍可“大咧咧”使用兩年。這種玻璃一度成為不少智能手機的“賣點”。


盡管如此,“碎屏險”仍是很多人購買手機時的標配。用戶依然急需“硬核”的技術造就更“堅強”的手機。


玻璃的硬度、模量和斷裂韌性取決于材料的組分和微觀結構。通常情況下,選取具有高解離能的氧化物組元(如三氧化二鋁),并通過優化制備工藝調控增大原子堆積密度,有利于提高玻璃力學性能,但同時會導致玻璃形成能力的嚴重下降。


“比如第六代大猩猩玻璃,在生產過程中為了提高硬度、模量和斷裂韌性,通常需要進行化學強化處理。強化后的玻璃由于表面應力層的存在,在硬度、模量和斷裂韌性上有一定提升,但這種后處理方法限制了玻璃形狀的后期設計,一旦進行化學強化就很難再加工?!崩罱◤娬f,“因此,通過創新成分設計和制備方法,制備出本征上具有高硬度、高模量和高斷裂韌性的玻璃,對電子玻璃行業具有重要意義?!?/span>


現有手機、平板電腦屏幕的蓋板玻璃,按組分不同可以分為高鋁玻璃(以第六代大猩猩玻璃為代表)和鈉鈣玻璃兩種。相比而言,前者具有更好的性能,但這兩種玻璃有一個共性,就是組分里都含有較多的網絡形成體(如SiO2、B2O3)等。


“含有網絡形成體一定程度上會限制玻璃新體系開發和性能提升?!崩罱◤娬f,“我們的玻璃樣品不含網絡形成體,同時引入高熵材料設計理念,在玻璃中加入氧化鈦、氧化鋯等能夠改變微觀配位數的組元,共同組成玻璃的主體。這種新玻璃在微觀結構上與傳統玻璃的最大不同在于具有較高的配位數,由此可以帶來優異的性能?!?/span>


但這種玻璃的形成能力較低,冷卻過程中易析晶且熔點較高,用傳統的熔融冷卻法比較難制備。為解決這一矛盾性關鍵科學問題,研究人員基于在特種玻璃領域的多年研究積累,合理選取多主元組分,并采用“激光加熱熔化—無容器凝固”方法,借此熔化氧化鋯等超高熔點物質。


“由于樣品制備過程中處于懸浮狀態,可以有效抑制接觸容器壁形成的非均勻形核,進而抑制析晶?!惫狸普f,“同時,激光加熱具有快熱快冷的優點,可以使熔體達到深過冷狀態并實現快速凝固,從而解決了玻璃樣品制備的難題?!?/span>


何時告別碎屏險?


利用這些技術,研究人員成功制備出高硬度、高模量的高熵玻璃,它具有破紀錄的硬度(12.58 GPa)和模量(177.9 GPa),以及優異的斷裂韌性(1.52 MPa·m0.5)和良好的可見光—近中紅外波段透過性(最大86.8%),多項指標遠超康寧公司的第六代大猩猩玻璃(硬度6.78 GPa、模量77 GPa、斷裂韌性0.7 MPa·m0.5)。


從幾項主要數據看,這種玻璃樣品比第六代大猩猩玻璃提高了約1倍。但李建強坦言,不能簡單地說“抗摔性就可以翻倍”。


“蓋板玻璃的抗摔程度綜合反映了脆性和斷裂韌性參數,和硬度也有一定的關系?!崩罱◤娬f,“目前,我們的樣品還處于實驗室階段,沒有對玻璃的抗摔性進行測試。但這種玻璃樣品的斷裂韌性(描述材料抵抗裂紋擴展能力的物理量)測試指標高于第六代大猩猩玻璃,這在一定程度上說明樣品在后期整機裝樣測試時,會取得比較好的抗摔性?!?/span>

李建強表示,一個走向市場的成熟產品不僅需要某些突出的優點,還需要各方面性能有較好的均衡。對于蓋板玻璃,除了模量以外,往往還要求玻璃具有良好的透過性、脆性、斷裂韌性等,制備工藝的復雜性和成本也是影響其應用的重要因素。


“我們前期研究的關注點主要放在力學性能方面,這是蓋板玻璃最基礎、最重要的參數。對于其電學性能,如導電率、靈敏度,還有介電常數等,后期將集中到專門的模塊進行測試分析?!崩罱◤娬f,“接下來,我們會嘗試制備滿足裝機要求的蓋板玻璃,逐步推進各項性能測試?!?/span>


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