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？

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。