中科院研制出高熵玻璃 多項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)超美國(guó)康寧 手機(jī)屏“想碎都難”不是夢(mèng)
2021-09-09
日前，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員李建強(qiáng)團(tuán)隊(duì)研制出一種高熵玻璃。這種玻璃樣品具有破紀(jì)錄的硬度和模量，多項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)超美國(guó)康寧公司的主流產(chǎn)品——第六代大猩猩玻璃（曾被稱為有史以來(lái)最“堅(jiān)強(qiáng)”手機(jī)屏幕）。該成果已在《細(xì)胞》子刊iScience上發(fā)表。
“這種氧化物高熵玻璃，具有破紀(jì)錄的硬度和模量，以及優(yōu)異的斷裂韌性。”李建強(qiáng)告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“玻璃樣品在硬度、模量和斷裂韌性上遠(yuǎn)超第六代大猩猩玻璃，在蓋板玻璃領(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用?！?/span>
高熵是近年來(lái)合金、陶瓷等領(lǐng)域?qū)σ活愋滦筒牧象w系的稱呼，這一概念最早來(lái)自于高熵合金。李建強(qiáng)介紹，作為一種全新的材料體系，高熵材料打破了傳統(tǒng)材料的設(shè)計(jì)理念，在金屬、陶瓷及金屬間化合物等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)材料相比，高熵材料在力學(xué)、物理和化學(xué)性能等方面表現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前已成為國(guó)際材料學(xué)術(shù)界的重要研究熱點(diǎn)之一。
傳統(tǒng)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(gè)體系的復(fù)雜程度，高熵可以理解為高的混亂度。高熵材料與常規(guī)材料體系相比，具有更高的混亂度。現(xiàn)有研究認(rèn)為，這種混亂度在某些方面可以打破常規(guī)，從而產(chǎn)生一些意想不到的性能。”論文第一作者、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)在讀博士生郭永昶對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)，“以往概念中，合金中加的金屬種類越多，就會(huì)越脆，但高熵合金和以往的合金不同，添加多種金屬也不會(huì)脆化，是一種顛覆性的材料設(shè)計(jì)新方法?！?/span>
除此之外，李建強(qiáng)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(bào)告了3種新型的多組分玻璃，通過(guò)無(wú)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(píng)論說(shuō)，“這些結(jié)果引起了材料科學(xué)界的很大興趣?！?/span>
“硬核”技術(shù)造就更強(qiáng)
隨著手機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品越來(lái)越輕薄、屏幕越來(lái)越大，對(duì)蓋板玻璃的各項(xiàng)性能要求也越來(lái)越高。在蓋板玻璃的抗摔性測(cè)試方面，主流的方法是將樣機(jī)從一定高度下自由掉落，然后統(tǒng)計(jì)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(jù)該公司實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，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(jīng)受15次摔打而不破損。
市場(chǎng)調(diào)查顯示，人們平均每年手機(jī)意外掉落的次數(shù)約為7次。使用第六代大猩猩玻璃，在不需要手機(jī)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(jī)的“賣點(diǎn)”。
盡管如此，“碎屏險(xiǎn)”仍是很多人購(gòu)買手機(jī)時(shí)的標(biāo)配。用戶依然急需“硬核”的技術(shù)造就更“堅(jiān)強(qiáng)”的手機(jī)。
玻璃的硬度、模量和斷裂韌性取決于材料的組分和微觀結(jié)構(gòu)。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(guò)優(yōu)化制備工藝調(diào)控增大原子堆積密度，有利于提高玻璃力學(xué)性能，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致玻璃形成能力的嚴(yán)重下降。
“比如第六代大猩猩玻璃，在生產(chǎn)過(guò)程中為了提高硬度、模量和斷裂韌性，通常需要進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化處理。強(qiáng)化后的玻璃由于表面應(yīng)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(shè)計(jì)，一旦進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化就很難再加工?！崩罱◤?qiáng)說(shuō)，“因此，通過(guò)創(chuàng)新成分設(shè)計(jì)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(duì)電子玻璃行業(yè)具有重要意義。”
現(xiàn)有手機(jī)、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(gè)共性，就是組分里都含有較多的網(wǎng)絡(luò)形成體（如SiO2、B2O3）等。
“含有網(wǎng)絡(luò)形成體一定程度上會(huì)限制玻璃新體系開(kāi)發(fā)和性能提升?！崩罱◤?qiáng)說(shuō)，“我們的玻璃樣品不含網(wǎng)絡(luò)形成體，同時(shí)引入高熵材料設(shè)計(jì)理念，在玻璃中加入氧化鈦、氧化鋯等能夠改變微觀配位數(shù)的組元，共同組成玻璃的主體。這種新玻璃在微觀結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)玻璃的最大不同在于具有較高的配位數(shù)，由此可以帶來(lái)優(yōu)異的性能。”
但這種玻璃的形成能力較低，冷卻過(guò)程中易析晶且熔點(diǎn)較高，用傳統(tǒng)的熔融冷卻法比較難制備。為解決這一矛盾性關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，研究人員基于在特種玻璃領(lǐng)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(wú)容器凝固”方法，借此熔化氧化鋯等超高熔點(diǎn)物質(zhì)。
“由于樣品制備過(guò)程中處于懸浮狀態(tài)，可以有效抑制接觸容器壁形成的非均勻形核，進(jìn)而抑制析晶?！惫狸普f(shuō)，“同時(shí)，激光加熱具有快熱快冷的優(yōu)點(diǎn)，可以使熔體達(dá)到深過(guò)冷狀態(tài)并實(shí)現(xiàn)快速凝固，從而解決了玻璃樣品制備的難題。”
何時(shí)告別碎屏險(xiǎn)？
利用這些技術(shù)，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(jì)錄的硬度（12.58 GPa）和模量（177.9 GPa），以及優(yōu)異的斷裂韌性（1.52 MPa·m0.5）和良好的可見(jiàn)光—近中紅外波段透過(guò)性（最大86.8%），多項(xiàng)指標(biāo)遠(yuǎn)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(xiàng)主要數(shù)據(jù)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(qiáng)坦言，不能簡(jiǎn)單地說(shuō)“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(shù)，和硬度也有一定的關(guān)系?！崩罱◤?qiáng)說(shuō)，“目前，我們的樣品還處于實(shí)驗(yàn)室階段，沒(méi)有對(duì)玻璃的抗摔性進(jìn)行測(cè)試。但這種玻璃樣品的斷裂韌性（描述材料抵抗裂紋擴(kuò)展能力的物理量）測(cè)試指標(biāo)高于第六代大猩猩玻璃，這在一定程度上說(shuō)明樣品在后期整機(jī)裝樣測(cè)試時(shí)，會(huì)取得比較好的抗摔性?！?/span>
李建強(qiáng)表示，一個(gè)走向市場(chǎng)的成熟產(chǎn)品不僅需要某些突出的優(yōu)點(diǎn)，還需要各方面性能有較好的均衡。對(duì)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(guò)性、脆性、斷裂韌性等，制備工藝的復(fù)雜性和成本也是影響其應(yīng)用的重要因素。
“我們前期研究的關(guān)注點(diǎn)主要放在力學(xué)性能方面，這是蓋板玻璃最基礎(chǔ)、最重要的參數(shù)。對(duì)于其電學(xué)性能，如導(dǎo)電率、靈敏度，還有介電常數(shù)等，后期將集中到專門的模塊進(jìn)行測(cè)試分析?！崩罱◤?qiáng)說(shuō)，“接下來(lái)，我們會(huì)嘗試制備滿足裝機(jī)要求的蓋板玻璃，逐步推進(jìn)各項(xiàng)性能測(cè)試?！?/span>
