中科院研制出高熵玻璃 多項指標(biāo)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(xué)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(jì)錄的硬度和模量，多項指標(biāo)遠超美國康寧公司的主流產(chǎn)品——第六代大猩猩玻璃（曾被稱為有史以來最“堅強”手機屏幕）。該成果已在《細胞》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?！崩罱◤姼嬖V《中國科學(xué)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(lǐng)域具有重要的潛在應(yīng)用?！?/span>
高熵是近年來合金、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(tǒng)材料的設(shè)計理念，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)出獨特優(yōu)勢，目前已成為國際材料學(xué)術(shù)界的重要研究熱點之一。
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?，F(xiàn)有研究認為，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?！闭撐牡谝蛔髡?、中國科學(xué)院大學(xué)在讀博士生郭永昶對《中國科學(xué)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(shè)計新方法。”
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(jié)果引起了材料科學(xué)界的很大興趣。”
“硬核”技術(shù)造就更強
隨著手機、平板電腦等電子產(chǎn)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(tǒng)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(jù)該公司實驗室數(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。
市場調(diào)查顯示，人們平均每年手機意外掉落的次數(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(biāo)配。用戶依然急需“硬核”的技術(shù)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(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，但同時會導(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)過程中為了提高硬度、模量和斷裂韌性，通常需要進行化學(xué)強化處理。強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，一旦進行化學(xué)強化就很難再加工?！崩罱◤娬f，“因此，通過創(chuàng)新成分設(shè)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(yè)具有重要意義。”
現(xiàn)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(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限制玻璃新體系開發(fā)和性能提升。”李建強說，“我們的玻璃樣品不含網(wǎng)絡(luò)形成體，同時引入高熵材料設(shè)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(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)，由此可以帶來優(yōu)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(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—無容器凝固”方法，借此熔化氧化鋯等超高熔點物質(zhì)。
“由于樣品制備過程中處于懸浮狀態(tài)，可以有效抑制接觸容器壁形成的非均勻形核，進而抑制析晶?！惫狸普f，“同時，激光加熱具有快熱快冷的優(yōu)點，可以使熔體達到深過冷狀態(tài)并實現(xiàn)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(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）和良好的可見光—近中紅外波段透過性（最大86.8%），多項指標(biāo)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(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(shù)，和硬度也有一定的關(guān)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(biāo)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。”
李建強表示，一個走向市場的成熟產(chǎn)品不僅需要某些突出的優(yōu)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(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>
