对玻璃裂纹的跟踪研究

为了使玻璃坚不可摧,必须先了解其破裂的原因。只有通过对裂纹和破裂进行深入的分析研究,才能获得具有超高强度的玻璃。

为了使玻璃坚不可摧,必须先了解其破裂的原因。只有通过对裂纹和破裂进行深入的分析研究,才能获得具有超高强度的玻璃。

玻璃具有极高的内部强度。其薄弱点是在表面或边角部位上的微小裂纹。这些生产或处理过程中产生的微小缺陷,随着机械应力的增加,会向内部蔓延,从而导致脆性材料突然出现破裂。

通过离子交换提高强度

经过对此工艺的深入研究,我们已成功改善了玻璃强度。采用离子交换的方式进行化学钢化,由此可在玻璃表面形成压应力。压应力可防止裂纹蔓延,从而使玻璃具有更高的抗裂特性。此方法和其他类似方法已用于超薄、高强度、甚至可弯折的玻璃的开发,这些创新型材料为将来的电子、医药和能源行业的发展奠定了基础。

在研究如何提高玻璃强度的过程中,Sheldon M. Wiederhorn采用了一种所有人都熟悉的元素:水。当在200摄氏度条件下将水导入石英玻璃中时,体积会增加,并使材料强度得以极大提高。几十年以来,这位美国科学家一直是裂纹形成和蔓延课题领域研究的先驱者。他的工作对于预估玻璃的此类机械属性,以及提升其物理极限具有重要基础意义。2016年,他和他的同事Satoshi Yoshida教授和Jean-Pierre Guin博士在英格兰谢菲尔德荣获第14届Otto Schott研究大奖,作为对其在玻璃强度相关课题领域的革新性成就的表彰。

涵盖广泛且多样的分析方法

通过基础性研究将对玻璃的原子纳米和微结构进行深入分析,而包括肖特在内的工业企业的分析实验室则同时还关注宏观层面的实际应用。从标准化应力测试和经过专门开发的应用特定测试,到对于断裂形状特性进行显微镜识别和解释,涵盖全面的系列方法可用于测定玻璃强度、硬度和损耗,以及断裂分析(断口分析)。”我们的分析会让人联想起刑侦工作,因为都需要进行高等级的分类”,肖特负责强度和断口分析研究的资深科学家Florian Maurer笑着说道。

内部和外部客户均将从中获益。例如,通过数值模拟可对负载分配情况进行虚拟建模,以提高药剂瓶的几何特性和强度。切割金属分析有助于优化玻璃微片边缘部位的质量特性。落球和环圈测试用于测量玻璃和玻璃陶瓷的表面强度。”一直以来,所关注的方面最终都集中在确定根本原因以及故障概率,预估使用寿命和可靠性,以及为更好的产品和过程提供咨询和支持”,Maurer博士总结说。

Wiederhorn博士在荣获Otto Schott 大奖后还参观了肖特位于美因茨的分析实验室,产品的强大性能给他留下深刻的影响。”昨天和今天所采用的方法具有天壤之别。肖特能如此深入地测量玻璃中的裂纹和裂纹蔓延情况,并对其进行评估,这实在太棒了”。研究和实践似乎都具有共同的目标:更好地理解玻璃内生成裂纹的本质特性,并逐步实现超高强度。

“玻璃断裂分析让人联想起刑侦工作”。Florian Maurer博士, 肖特资深科学家

2017年2月22日

联系方式

王冲 博士

+86 13915563936

chong.wang@schott.com

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