中國製造|中科院研製超硬「高熵玻璃」 手機屏幕有望永不跌碎?

撰文:林芷瑩
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中國科學院過程工程研究所研究員李建強團隊,近期研製出一種高熵玻璃。李建強介紹,該款氧化物高熵玻璃,在硬度、模量和斷裂韌性等指標上遠超美國康寧公司的「第六代大猩猩玻璃」,在蓋板玻璃(電子產品觸控面板玻璃)領域具有重要的潛在應用。有關成果已在國際科學期刊《細胞》(Cell)子刊iScience上發表。

《中國科學報》報道,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,此概念最早來自於高熵合金。傳統的合金材料主要由1、2種主要組元組成,再加入其他微量元素提升特性。而高熵合金的主要組元通常為4、5種以上,且各種組元的含量接近等比例。在以往的概念中,合金中加的金屬種類愈多就會愈脆,但高熵合金即使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。

高熵合金的主要組元通常為4、5種以上。(人民號)

高熵玻璃具有破紀錄的硬度(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)。

除此之外,高熵玻璃的高模量在一定程度上亦反映玻璃抵抗划痕的能力。研究團隊報告了3種新型的多組分玻璃,通過無容器熔體急冷工藝製備,可以使玻璃具有很高的硬度和楊氏模量。據介紹,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。

現有手機、平板電腦屏幕的蓋板玻璃,可分為高鋁玻璃和鈉鈣玻璃兩種,前者俱有更好的性能,但兩者都含有較多的網絡形成體(如SiO2、B2O3)等。李建強指出,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,但高熵玻璃不含網絡形成體,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。

高熵玻璃的硬度(12.58 GPa)和模量(177.9 GPa)遠超第六代大猩猩玻璃。(iScience)

高熵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製備。為解決問題,研究人員合理選取多主元組分,並採用「激光加熱熔化—無容器凝固」方法,藉此熔化氧化鋯等超高熔點物質。論文第一作者、中國科學院大學在讀博士生郭永昶介紹,由於樣品製備過程中處於懸浮狀態,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,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並實現快速凝固,從而解決玻璃樣品製備的難題。

雖然高熵玻璃樣品比第六代大猩猩玻璃的各項指標提高約1倍,但李建強坦言,不能簡單地說「抗摔性就可以翻倍」。他表示,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係。目前,高熵玻璃樣品仍處於實驗室階段,尚未測試玻璃的抗摔性,但樣品的斷裂韌性測試指標高於第六代大猩猩玻璃,在一定程度上說明樣品在後期整機裝樣測試時,會取得比較好的抗摔性。

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。對於蓋板玻璃,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,製備工藝的複雜性和成本也是影響其應用的重要因素。前期研究的關注點主要放在力學性能方面,對於其電學性能,如導電率、靈敏度,還有介電常數等,後期將集中測試分析,並嘗試製備滿足裝機要求的蓋板玻璃,逐步推進各項性能測試。

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