這種神奇的玻璃比鑽石的強度還大,子彈打在它身上也會被撞擊得粉碎,萬能的液壓機也不會讓它屈服,甚至液壓機都被它壓出一個坑,直到壓力提高到20噸時才粉碎,這就是神奇的“魯伯特之淚”。玻璃和子彈哪個更結實?大部分人會說子彈更結實,其實不完全正確,我們在家中就能做出比子彈更結實的玻璃來。
在說這種神奇的玻璃之前,首先要弄清楚硬度和強度的概念,因為有人把這2種概念鬧混了。材料區域性抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度,分為劃痕硬度、回跳硬度和壓入硬度,可以理解為硬度大的物體不容易產生劃痕。強度是指材料抵抗斷裂和過度變形的力學效能之一,指標有拉伸強度和屈服強度,簡單來說就是強度大的物體不容易整體斷裂。
比如鋼化玻璃比普通玻璃強度大,而硬度並沒有提高,鋼化玻璃本質上還是玻璃,雖然強度是普通玻璃的幾倍,但你用砂紙打磨還是會有劃痕的,汽車擋風玻璃就是鋼化玻璃,時間久了雨刷器劃過地方就有劃痕。而“魯伯特之淚”本質上還是玻璃,硬度沒有提高多少,但是強度卻大大提高了,所以我們不能說它硬,而是要說它強。
世界上最硬的3種物質分別是:碳炔硬度是金剛石的40倍,石墨烯的硬度是金剛石的20倍,金剛石排名第三,但它是自然界中最堅硬的物質,莫氏硬度達到了10。而液壓機還是可以輕易地壓碎鑽石,因為硬的東西一般韌性較差,也就是脆。“魯伯特之淚”的優勢就體現出來了,可能承受20噸的壓力。
17世紀的時候,有個王子叫魯伯特,他特別喜歡玻璃,閒著沒事就鼓搗玻璃,他把熔融的玻璃液放在冷水中,就形成了這種像蝌蚪一樣的玻璃,尾部還有一個細長的尾巴,頭部的強度非常大,就管它叫“羅伯特王子小粒”。後來他就選了其中的5個當做國禮送給了當時強大的英格蘭的查理二世,從此這種神奇的玻璃被世人所知。
製作它的方法不難,但是國內很多博主在製作的時候,方法不是很對,結果是強度很差,普通的錘子就能敲碎。正確的方法是把玻璃加熱到700℃左右,玻璃是混合物,非晶體,沒有熔點,只有熔融溫度範圍,一般在600-800℃,所以溫度很重要,溫度低產生的強度也會很低。這就是為什麼有的“魯伯特之淚”抗壓能力為8噸,而有的卻能達到20噸。
熔融液態的玻璃在重力作用下,自動滴到冰水裡,這個過程非常重要,這樣一個“魯伯特之淚”就做好了,它們看著樣子都差不多,但是強度卻相差很多。
原理是:當熔融的玻璃滴進冷水中時,最外面的一層遇冷水最先凝固,而玻璃內部還是熔融狀態,隨著時間推移核心也會慢慢冷卻,根據熱脹冷縮原理體積會變小,當核心的液態玻璃冷卻時,會拉著已經凝固的外殼慢慢收縮變緊,讓外層玻璃受到巨大的壓應力,壓應力高達700兆帕,是標準大氣壓的7000倍。
同時核心的玻璃也被呈固態的外殼拉扯,受到強大的拉應力。這兩種力量維持了玻璃的平衡,壓應力和拉應力就像兩組人進行拔河比賽,誰也贏不了誰,只要這種應力保持平衡,“魯伯特之淚”就能夠保持穩定,可承受巨大的外力衝擊。
但是由於熔融液態的玻璃入水先後順序不同,使得“魯伯特之淚”的頭部質量很大,冷卻的慢,尾部很細質量最小,冷卻最快,導致頭部和尾部冷卻不均衡,也讓整個玻璃體內部受力不均,所以有強大的頭部和脆弱的尾部。
細細的尾部應力比頭部要差很多,甚至比一般玻璃都脆弱,一旦尾部被外力摧毀,不均衡的壓力就會瞬間釋放,殘餘應力順著裂紋迅速擴散到“魯伯特之淚”全身,一瞬間就會支離破碎,變成粉末,這種現象就做裂紋擴充套件,根源就在於內部不均衡的壓力,釋放的速度為每秒1450米-1900米,是音速的5倍左右,只有高速攝像機才會看清楚。
就這種簡單的科學原理,困擾了科學家整整4個世紀,後來隨著科學技術的發展,才弄懂了其中的原理。“魯伯特之淚”對人類最大的貢獻就是讓人們發明出了鋼化玻璃。鋼化玻璃的原理和“魯伯特之淚”是基本差不多的。鋼化玻璃又叫強化玻璃,同樣是表面具有壓應力的玻璃。
鋼化玻璃是法國人發明的,最大的特點是受到破壞時,碎片不是鋒利的玻璃碴子,而是鈍角的碎小顆粒,不容易傷害人。並且抗衝擊強度和抗彎強度都是普通玻璃的3-5倍。當你踩到一塊鋼化玻璃上面時也不會碎,普通的玻璃就不行。
鋼化玻璃有個很大的缺點就是不能切割和加工,就像“魯伯特之淚”一樣,碰到尾部整體就炸了,所以只能在鋼化前先把普通玻璃加工成需要的形狀,然後在進行鋼化處理。鋼化玻璃能承受300℃的溫差變化,是普通玻璃的3倍。
要先把普通玻璃切割成要求的尺寸,加熱到700度左右,再進行快速而均勻的冷卻,鋼化玻璃厚度不同,加熱和降溫的時間也不同。比如6毫米的鋼化玻璃在700度高溫下加熱240秒,然後降溫150秒。10釐米厚的鋼化玻璃在700度高溫下加熱500秒,然後降溫300秒。玻璃越厚加熱和冷卻的時間越長。
高溫後在降溫的鋼化玻璃表面形成均勻的壓應力,而內部則形成張應力,這兩種力達到了完美的平衡。使玻璃的強度、抗衝擊力、彎曲度都是普通玻璃的3-5倍左右,雖然不能做切割或加工,但是安全性很高,保護了人類不在受玻璃的割傷,均勻壓應力平衡遭到破壞是會“粉身碎骨”,就像我們的手機鋼化膜一樣,自己碎了卻保護了珍貴的螢幕。
人類也在研究如何把“魯伯特之淚”的尾部去掉,或者直接製造出沒有尾部的“魯伯特之淚”,或許成功之後,會有很多意想不到的用處,您感覺“魯伯特之淚”還有什麼用處呢?