“泪”比晶坚

2021-4-17

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        提起地球上最坚硬的物体,大家的第一印象莫过于珍贵的钻石了,大家都知道钻石是在地球底部高温高压的状态下经过漫长的时间形成的,而钻石的主要成分是碳,由于具有稳定的结构,也导致了钻石具有无比坚硬的外表。而相较于钻石,同样拥有透明外表的玻璃就相差甚远了。玻璃不仅不能承受高温高压的环境,而且还极其容易被破坏掉,人们在日常生活中所使用的玻璃制品,只要轻轻一碰,或者不小心从桌子上摔下,就会即刻粉碎。

        但是人们却发现了另一种同为玻璃结构的物质,故事要追溯到大约在17世纪中期,有一位叫鲁伯特的莱茵国王子,做了一个有趣的实验,他把一滴熔化的玻璃液靠重力自然的滴入冰冷的水中,结果制成了一种极其坚硬的玻璃。这种高强度的颗粒状玻璃外形就像一滴被拉长了的凝固了的水滴,拖有细长而曲折的尾巴如“蝌蚪状”,它被称为“鲁珀特之泪”。这种玻璃有着奇妙的物理特性:泪珠本身比一般玻璃坚硬许多,能在8吨的压力下不破损,而纤细的尾巴却异常脆弱、稍微施加压力受到曲折而折断时,整个玻璃泪珠就会瞬间爆裂、彻底粉碎。当鲁伯特之泪刚被发现的时候,有很多人不相信它神奇的硬度。于是全世界都流行自己在家里尝试鲁伯特之泪的试验。有的人用汽车碾压,有的人用钳子夹,甚至有人用手枪射击鲁伯特之泪。他将一颗鲁伯特之泪绑在树枝上,然后用一把手枪对其射击。结果令人震惊的是,鲁伯特之泪毫发无损。

        虽然鲁伯特之泪的制造原料跟普通玻璃一模一样,大部分都是石英砂,但是它的内部结构与普通玻璃完全不同,导致其性质也完全不同。鲁伯特之泪碎裂的原理叫做"裂纹扩展",源于其内部不均衡的压力:当熔化的玻璃滴入冰水中时,玻璃表面迅速冷却形成外壳,而壳下的玻璃还仍然是液态。等到核部的玻璃也冷却凝结体积变小时,液态的玻璃自然而然地拉着已经是固态的外壳收缩,导致靠近表面的玻璃受到很大的压应力,同时核心位置也被拉扯向四周,受到拉应力。 当外部遭到破坏时,这些残余应力迅速释放出来,使得裂纹瞬间传遍全体、支离破碎,据高速摄影技术观测,其裂纹的传递速度可达秒速1450米-1900米。此外,用交叉偏振光镜可以看到压力的分布。

        相信大家已经有所觉察,鲁伯特之泪就是最初的钢化玻璃了。它的制作方法很像金属的淬火,而这是玻璃的淬火。这种淬火并没有使玻璃的成分发生任何变化,所以又叫它是物理淬火(physical tempered),因此钢化玻璃称为tempered glass,也叫淬火玻璃。玻璃钢化的专利于1874年由法国人获得,方法是将玻璃加热到软化温度后,立即投入到温度较低的液体槽中,是表面应力提高。这种方法即是早期液体钢化方法。20世纪70年代开始钢化玻璃技术在世界范围内得到了全面的推广和遍及,钢化玻璃在汽车、建筑、航空、电子等范畴开始使用,尤其在建筑和汽车方面发展比较快。

        钢化玻璃具备良好的安全性、高强度性、热稳定性。同时,钢化玻璃也有着自身的缺点:1、钢化后的玻璃不能再进行切割和加工,只能在钢化前就对玻璃进行加工至需要的形状,再进行钢化处理。2、钢化玻璃的表面会存在凹凸不平现象,有轻微的厚度变薄。变薄的原因是因为玻璃在热熔软化后,在经过强风力使其快速冷却,使其玻璃内部晶体间隙变小,压力变大,所以玻璃在钢化后要比在钢化前要薄。一般情况下4-6mm玻璃在钢化后变薄0.2-0.8mm,8-20mm玻璃在钢化后变薄0.9-1.8mm。具体程度要根据设备的来决定,这也是钢化玻璃不能做镜面的原因。3、钢化玻璃强度虽然比普通玻璃强,但是钢化玻璃在温差变化大时有自爆(自己破裂)的可能性,而普通玻璃不存在自爆的可能性。

        说到自爆,从钢化玻璃诞生开始,就伴随着自爆问题。钢化玻璃自爆可以表述为钢化玻璃在无外部直接作用的情况下而自动发生破碎的现象。在钢化加工、贮存、运输、安装、使用等过程中均可发生钢化玻璃自爆。自爆是钢化玻璃固有的特性之一,根据行业经验,普通钢化玻璃的自爆率在1~3‰左右。产生自爆的原因很多,主要可分为以下几种:

        1、玻璃中有结石、杂质,气泡:玻璃中有杂质是钢化玻璃的薄弱点,也是应力集中处。特别是结石若处在钢化玻璃的张应力区是导致炸裂的重要因素。

        2、玻璃中含有硫化镍结晶物。硫化镍自爆典型特征是蝴蝶斑,观察起爆点可看到两小块多边形组成的类似两片蝴蝶翅膀似的碎片形状,如仔细观察两小块多边形的交界处(蝴蝶躯干)应有肉眼可见的黑色小颗粒即硫化镍结晶物。

        3、玻璃表面因加工过程或操作不当造成有划痕、炸口、深爆边等缺陷,易造成应力集中或导致钢化玻璃自爆。

        最后,愿大家有鲁伯特之泪般的心,万物不催,但也愿有一人知你心,稍触即碎......

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