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交匯點訊 前不久，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，能用於製作手機螢幕的蓋板玻璃。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。 什麼是高熵玻璃？它有什麼特性？能讓我們擺脫手機碎屏的尷尬嗎？交匯點記者特邀江蘇材料科學與工程領域專家進行解讀。
高熵玻璃：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。”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，中國科學院過程工程研究所研究員李建強表示，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。 “高熵材料與常規材料體系相比，具有更高的混亂度。而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。”江蘇省矽酸鹽學會秘書長，賽力克玻璃功能化及應用研究院院長李斌告訴記者，所謂“熵”，其實是代表物質內部結構的一個紊亂性。物質內部結構越紊亂，它的熵值越高，它所包含的能量也就越大。由於高熵玻璃的成分相對來講比較多，內部結構處於一個高度紊亂的狀態，它裡面所包含的各種能量比較高，所以說它的強度和硬度都非常好。 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，它的設計思路其實來源於高熵合金和高熵陶瓷。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，這一概念最早來自高熵合金。李建強介紹，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。
蓋板玻璃：玻璃皇冠上的明珠
智慧手機時代到來後，大屏成為主流，在大屏上往往都有一層蓋板玻璃。這是因為玻璃材質在透光性、硬度、化學效能等多方面都很優越，對手機的電容屏能起到很好的保護作用。 “手機玻璃和我們日常看到的玻璃成分不同，普通玻璃像門窗玻璃大部分屬於鈉鈣玻璃系統。鈉鈣玻璃也可以做手機螢幕的蓋板玻璃，但效能較差。”李斌解釋，目前手機螢幕的蓋板玻璃主要用的是鋁矽酸鹽玻璃，強度高，模量高，抗劃痕險，另外玻璃經過化學強化後效能更為提升。使用微晶玻璃做面板，大大提升了強度和散熱效能，對於5G手機高資料傳輸更為適合。 李斌介紹，蓋板玻璃的加工還需要大量的加工。現在不少手機螢幕發展為曲面屏，還有2.5D和3D之分，因此還要對玻璃進行熱彎成型，化學強化，鍍膜等工序，讓玻璃具備鋼化、增透、防油汙、防指紋的效果。 不同材料及工藝組合的差異主要在於耐劃傷、抗衝擊性能等指標，而材料及工藝持續升級背後是消費者需求驅動。2018年，美國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。但國內手機的蓋板玻璃用的還是普通鋁矽酸鹽玻璃強化處理。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。使用者急需“硬核”的技術造就更“堅強”的手機。 在這方面，高熵玻璃有著得天獨厚的優勢。專家指出，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。因為高熵玻璃不含網路形成體，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。所以高熵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，對電子玻璃行業具有重要意義。
另闢蹊徑：打破國外技術壁壘
尖端的高鋁玻璃對於我們來說是一個技術壁壘。“美國康寧公司的第六代大猩猩玻璃主要是高鋁玻璃，它在專利中將化學成分氧化鋁的含量範圍定得非常寬，給我們國內做高階玻璃的帶來了很多的技術壁壘。”李斌告訴記者，由於專利的限制，國內的高階高鋁玻璃必須要突破康寧公司設定的氧化鋁範圍。 “國內像南玻集團、彩虹集團、中航三鑫等企業都在攻克這個難題。其中中航三星研發的高鋁玻璃突破了目前玻璃中氧化鋁含量的上限，達到了27%，但高鋁含量會帶來玻璃製作時熔化和澄清難度太大的問題。”到現在為止，國內的高鋁玻璃已經能應用於顯示屏的製造，但要應用於手機螢幕這種極其薄的蓋板玻璃還存在著困難。 在這種局面下，另闢蹊徑的高熵玻璃為我們打開了國外技術壟斷的壁壘。在研發團隊的測試下，高熵玻璃具有破紀錄的硬度（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，現在高熵玻璃還在測試階段，不能簡單地說“抗摔性就可以翻倍”。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。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。 新華日報·交匯點記者 張宣 實習生 王鯤鵬
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