高熵玻璃應用示意圖
高熵玻璃樣本（受訪者供圖）
如何擺脫手機碎屏的尷尬？
日前，中國科學院過程工程研究所研究員李建強團隊研製出一種高熵玻璃。這種玻璃樣品具有破紀錄的硬度和模量，多項指標遠超美國康寧公司的主流產品——第六代大猩猩玻璃（曾被稱為有史以來最“堅強”手機螢幕）。該成果已在《細胞》子刊 iScience上發表。
也許在不遠的將來，你的手機螢幕“想碎都難”。
破紀錄的“硬”玻璃
“這種氧化物高熵玻璃，具有破紀錄的硬度和模量，以及優異的斷裂韌性。”李建強告訴記者，“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，在蓋板玻璃領域具有重要的潛在應用。”
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，這一概念最早來自於高熵合金。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材料的設計理念，在金屬、陶瓷及金屬間化合物等領域受到廣泛關注。與傳統材料相比，高熵材料在力學、物理和化學效能等方面表現出獨特優勢，目前已成為國際材料學術界的重要研究熱點之一。
傳統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。
“熵可以用於描述一個體系的複雜程度，高熵可以理解為高的混亂度。高熵材料與常規材料體系相比，具有更高的混亂度。現有研究認為，這種混亂度在某些方面可以打破常規，從而產生一些意想不到的效能。”論文第一作者、中國科學院大學在讀博士生郭永昶對記者說，“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，新增多種金屬也不會脆化，是一種顛覆性的材料設計新方法。”
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，透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……”該論文審稿人評論說，“這些結果引起了材料科學界的很大興趣。”
“硬核”技術造就更強
隨著手機、平板電腦等電子產品越來越輕薄、螢幕越來越大，對蓋板玻璃的各項效能要求也越來越高。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，然後統計蓋板玻璃的破碎情況。
2018年，康寧公司宣佈第六代大猩猩玻璃研製成功。根據該公司實驗室資料，第六代大猩猩玻璃從1米的高度跌落到粗糙的平面上，可以經受15次摔打而不破損。
市場調查顯示，人們平均每年手機意外掉落的次數約為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慧手機的“賣點”。
儘管如此，“碎屏險”仍是很多人購買手機時的標配。使用者依然急需“硬核”的技術造就更“堅強”的手機。
玻璃的硬度、模量和斷裂韌性取決於材料的組分和微觀結構。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），並透過最佳化製備工藝調控增大原子堆積密度，有利於提高玻璃力學效能，但同時會導致玻璃形成能力的嚴重下降。
“比如第六代大猩猩玻璃，在生產過程中為了提高硬度、模量和斷裂韌性，通常需要進行化學強化處理。強化後的玻璃由於表面應力層的存在，在硬度、模量和斷裂韌性上有一定提升，但這種後處理方法限制了玻璃形狀的後期設計，一旦進行化學強化就很難再加工。”李建強說，“因此，透過創新成分設計和製備方法，製備出本徵上具有高硬度、高模量和高斷裂韌性的玻璃，對電子玻璃行業具有重要意義。”
現有手機、平板電腦螢幕的蓋板玻璃，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，前者具有更好的效能，但這兩種玻璃有一個共性，就是組分裡都含有較多的網路形成體（如SiO2、B2O3）等。
“含有網路形成體一定程度上會限制玻璃新體系開發和效能提升。”李建強說，“我們的玻璃樣品不含網路形成體，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。這種新玻璃在微觀結構上與傳統玻璃的最大不同在於具有較高的配位數，由此可以帶來優異的效能。”
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，用傳統的熔融冷卻法比較難製備。為解決這一矛盾性關鍵科學問題，研究人員基於在特種玻璃領域的多年研究積累，合理選取多主元組分，並採用“鐳射加熱熔化—無容器凝固”方法，藉此熔化氧化鋯等超高熔點物質。
“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。”郭永昶說，“同時，鐳射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，從而解決了玻璃樣品製備的難題。”
何時告別碎屏險？
利用這些技術，研究人員成功製備出高硬度、高模量的高熵玻璃，它具有破紀錄的硬度（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）。
從幾項主要資料看，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引數，和硬度也有一定的關係。”李建強說，“目前，我們的樣品還處於實驗室階段，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充套件能力的物理量）測試指標高於第六代大猩猩玻璃，這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，還需要各方面效能有較好的均衡。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。
“我們前期研究的關注點主要放在力學效能方面，這是蓋板玻璃最基礎、最重要的引數。對於其電學效能，如導電率、靈敏度，還有介電常數等，後期將集中到專門的模組進行測試分析。”李建強說，“接下來，我們會嘗試製備滿足裝機要求的蓋板玻璃，逐步推進各項效能測試。”
相關論文資訊：https://doi.org/10.1016/j.isci.2021.102735
來源：《中國科學報》
