突破丨具有破纪录的硬度和模量,神奇的高熵玻璃打破技术壁垒
2021-09-14 22:49:38

交汇点讯 前不久,中国科学院过程工程研究所研究员李建强团队研制出一种高熵玻璃,能用于制作手机屏幕的盖板玻璃。这种玻璃样品具有破纪录的硬度和模量,多项指标远超美国康宁公司的主流产品——第六代大猩猩玻璃。

什么是高熵玻璃?它有什么特性?能让我们摆脱手机碎屏的尴尬吗?交汇点记者特邀江苏材料科学与工程领域专家进行解读。

高熵玻璃:破纪录的“硬”玻璃

“这种氧化物高熵玻璃,具有破纪录的硬度和模量,以及优异的断裂韧性。”模量(指杨氏模量)是描述固体材料在外力作用下抵抗弹性形变能力的物理量,高模量可以在一定程度上反映玻璃抵抗划痕的能力,中国科学院过程工程研究所研究员李建强表示,玻璃样品在硬度、模量和断裂韧性上远超第六代大猩猩玻璃,在盖板玻璃领域具有重要的潜在应用。

“高熵材料与常规材料体系相比,具有更高的混乱度。而这种混乱度在某些方面可以打破常规,从而产生一些意想不到的性能。”江苏省硅酸盐学会秘书长、赛力克玻璃功能化及应用研究院院长李斌告诉记者,所谓“熵”,其实是代表物质内部结构的一个紊乱性。物质内部结构越紊乱,它的熵值越高,它所包含的能量也就越大。由于高熵玻璃的成分相对来讲比较多,内部结构处于一个高度紊乱的状态,它里面所包含的各种能量比较高,所以说它的强度和硬度都非常好。

作为一种全新的材料体系,高熵材料打破了传统材料的设计理念,它的设计思路其实来源于高熵合金和高熵陶瓷。高熵是近年来合金、陶瓷等领域对一类新型材料体系的称呼,这一概念最早来自高熵合金。李建强介绍,在金属、陶瓷及金属间化合物等领域受到广泛关注。与传统材料相比,高熵材料在力学、物理和化学性能等方面表现出独特优势,目前已成为国际材料学术界的重要研究热点之一。

盖板玻璃:玻璃皇冠上的明珠

智能手机时代到来后,大屏成为主流,在大屏上往往都有一层盖板玻璃。这是因为玻璃材质在透光性、硬度、化学性能等多方面都很优越,对手机的电容屏能起到很好的保护作用。

“手机玻璃和我们日常看到的玻璃成分不同,普通玻璃像门窗玻璃大部分属于钠钙玻璃系统。钠钙玻璃也可以做手机屏幕的盖板玻璃,但性能较差。”李斌解释,目前手机屏幕的盖板玻璃主要用的是铝硅酸盐玻璃,强度高,模量高,抗划痕险,另外玻璃经过化学强化后性能更为提升。使用微晶玻璃做面板,大大提升了强度和散热性能,对于5G手机高数据传输更为适合。

李斌介绍,盖板玻璃的加工还需要大量的加工。现在不少手机屏幕发展为曲面屏,还有2.5D和3D之分,因此还要对玻璃进行热弯成型,化学强化,镀膜等工序,让玻璃具备钢化、增透、防油污、防指纹的效果。

不同材料及工艺组合的差异主要在于耐划伤、抗冲击性能等指标,而材料及工艺持续升级背后是消费者需求驱动。2018年,美国康宁公司宣布第六代大猩猩玻璃研制成功。根据该公司实验室数据,第六代大猩猩玻璃从1米的高度跌落到粗糙的平面上,可以经受15次摔打而不破损。但国内手机的盖板玻璃用的还是普通铝硅酸盐玻璃强化处理。市场调查显示,人们平均每年手机意外掉落的次数约为7次。用户急需“硬核”的技术造就更“坚强”的手机。

在这方面,高熵玻璃有着得天独厚的优势。专家指出,含有网络形成体一定程度上会限制玻璃新体系开发和性能提升。因为高熵玻璃不含网络形成体,在玻璃中加入氧化钛、氧化锆等能够改变微观配位数的组元,共同组成玻璃的主体。所以高熵玻璃在微观结构上与传统玻璃的最大不同在于具有较高的配位数,由此可以带来优异的性能,对电子玻璃行业具有重要意义。

另辟蹊径:打破国外技术壁垒

尖端的高铝玻璃对于我们来说是一个技术壁垒。“美国康宁公司的第六代大猩猩玻璃主要是高铝玻璃,它在专利中将化学成分氧化铝的含量范围定得非常宽,给我们国内做高端玻璃的带来了很多的技术壁垒。”李斌告诉记者,由于专利的限制,国内的高端高铝玻璃必须要突破康宁公司设定的氧化铝范围。

“国内像南玻集团、彩虹集团、中航三鑫等企业都在攻克这个难题。其中中航三星研发的高铝玻璃突破了目前玻璃中氧化铝含量的上限,达到了27%,但高铝含量会带来玻璃制作时熔化和澄清难度太大的问题。”到现在为止,国内的高铝玻璃已经能应用于显示屏的制造,但要应用于手机屏幕这种极其薄的盖板玻璃还存在着困难。

在这种局面下,另辟蹊径的高熵玻璃为我们打开了国外技术垄断的壁垒。在研发团队的测试下,高熵玻璃具有破纪录的硬度(12.58GPa)和模量(177.9GPa),以及优异的断裂韧性(1.52MPa·m0.5)和良好的可见光—近中红外波段透过性(最大86.8%),多项指标远超康宁公司的第六代大猩猩玻璃(硬度6.78GPa、模量77GPa、断裂韧性0.7MPa·m0.5)。

从几项主要数据看,这种玻璃样品比第六代大猩猩玻璃提高了约1倍。但李建强坦言,现在高熵玻璃还在测试阶段,不能简单地说“抗摔性就可以翻倍”。对于盖板玻璃,除了模量以外,往往还要求玻璃具有良好的透过性、脆性、断裂韧性等,制备工艺的复杂性和成本也是影响其应用的重要因素。李建强表示,一个走向市场的成熟产品不仅需要某些突出的优点,还需要各方面性能有较好的均衡。

新华日报·交汇点记者 张宣 实习生 王鲲鹏

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