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寻找可以变形的玻璃 科学家有了新发现

2020年01月08日 10:44:09来源:仪器网作者:宋池

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  【仪器网 材料化工】无论是生活还是科研,玻璃作为常见的材料已经与人类社会密不可分,玻璃门窗、玻璃容器、玻璃镜……我们在享受着玻璃带来的便利的同时也承担着玻璃一不小心就会碎裂的风险。为了使玻璃变得不那么脆,人类做出了许多尝试,钢化玻璃、夹纱玻璃等都是为这一目的研发的工艺。
 

 
  即使玻璃在强度、抗拉度以及抗冲击性等方面都得到很大的改进,却始终无法避免较大刚度带来的材料容易被破坏的特点。在日常生活中已经有一部分玻璃被其它材料取代,例如眼镜的镜片一般采用树脂材料,商场展示架通常会选择亚克力材料等。然而玻璃依然具有光学性质、耐热性等方面的优势。
 
  如何在提高玻璃强度的同时让玻璃具有良好的韧性成为工程师们研究的重要方向,氧化铝就在此时进入研究者的视野。通过在氧化硅中添加稀土氧化物和氧化铝,研究者已经研发出具有高弹性模量和高硬度的氧化物玻璃。但是新的研究却打破了“氧化铝可以让玻璃更难发生形变”的传统认知。
 
  近日,芬兰及法国的研究团队合作发表了一项研究成果,指出致密且无瑕疵的非晶态氧化铝玻璃在受到冲击时可以像金属一样发生快速形变并且不会破碎。研究者在计算无瑕疵非晶态氧化铝的粘度时偶然发现,氧化铝在常温下就可以发生玻璃在高温条件下才能发生的粘滞性蠕变,即软化并具有流动性。这意味氧化铝玻璃可以在受到冲击时发生塑性形变以降低冲击产生的破坏。
 
  研究者从这种现象中发现了“变形玻璃”的可能性,于是利用透射电镜在拉伸和压缩条件下对非晶态氧化铝进行原位观察。从微观角度观察材料的结构与性质已经成为如今材料学研究的必要条件。得益于原位透射电子显微技术的发展,研究者可以在原子层次实时观察样品在微型拉伸挤压试验装置作用下微结构的变化,并借此深入研究材料的原子结构与物理化学性质的相关性。
 
  通过观察,研究者发现在塑性应变期间样品一直保持非晶态,并且其粘度随着应变速率的增加还在显著降低。虽然在拉伸实验中,非晶态氧化铝的断裂现象与研究者原来的预期不符,但研究发现断裂的原因只是样品制备产生的难以避免的离子损伤。这说明最初的计算结果没有出错,无瑕疵的非晶态氧化铝确实可以发生塑性形变。
 
  在柔性材料成为材料学研究热点的时候,可以变形的玻璃也许可以让玻璃材料在未来的可折叠电子产品拥有和目前相同的不可替代的地位。然而现在说这些还为时尚早,氧化铝玻璃的开发还面临着不小的难题。首先是氧化铝玻璃的制造工艺不同于传统氧化硅玻璃。液态氧化铝转变成非晶态的玻璃状固体比氧化硅要困难得多,目前研究者利用脉冲激光沉积法制造氧化铝玻璃,但这种技术并不适合大规模生产。其次,氧化铝玻璃的塑性应变需要玻璃具有足够高的纯度且结构上没有瑕疵,这也是目前的技术很难实现的一点。
 
  新材料的开发从来都不是一件简单的事,但现在有了研究方向就相当于已经迈出了一步。也许不久之后我们就可以看到新型的变形玻璃,而在那之前我们还需要继续不断尝试的过程。
 
  资料来源:X-MOL
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