告别#手机碎屏：向着无坚不摧的玻璃前进
玻璃到底为什么会破裂？特种玻璃的发明人是否能防止玻璃破裂？ 在实验室，肖特专家揭开背后的秘密。
他谨慎地抬头一看，暗示着有大事要发生。一位戴着手套和护目镜的材料科学家按下一个红色按钮。房间里响起急促而响亮的嘶嘶声，智能手机被夹着从两米高处被摔向地面。由于从高处掉落，手机撞击在坚硬的地面后又在地面上弹了几次，然而手机并没有破碎。“哇，这个高度还真是挺高的。”研究人员边说边从地上捡起试验机。屋内一片安静。他检查了手机上的玻璃，满意地笑了：“撞击力很大，但玻璃完好无损。此刻我非常激动。”
探访玻璃“终结者”
我们现在正在肖特位于德国耶拿的实验室里。材料专家Jochen Alkemper 在此工作。他负责研发盖板玻璃，从沙子着手到研发出强化玻璃。他的工作就是优化盖板玻璃的坚固程度。
Jochen Alkemper 简介
Jochen Alkemper 博士于1998年入职肖特，此前他就读于达姆施塔特工业大学，获得材料科学博士学位。在美因茨期间，他任职于材料研发部，于2012年接管玻璃产品研发项目，助力打造肖特赛绚®盖板玻璃系列产品。
盖板玻璃的工艺奥秘
智能手机盖板玻璃有多种不同的生产工艺。“一种是现有的是浮法玻璃制造工艺。我们赛绚®系列的生产线使用这种方法来制造适用于智能手机的抗碎裂盖板玻璃，防火玻璃这样的技术型玻璃也使用了这项工艺。”Jochen Alkemper 说。浮法玻璃制造需要一定量的含有各种金属氧化物和沙子的均匀混合物。混合物在1500摄氏度的环境下被熔融至粘稠状。接着，这种蜂蜜状物质漂浮在锡液表面，被调至理想厚度，在控制工序下冷却。最后，我们得到一块大尺寸的平板玻璃，再把它切割成小块，这就是玻璃原料。
“玻璃是易碎品，常常会突然碎裂，”Alkemper 说。接着他又补充道，后续加工能显著提升玻璃的抗碎裂性能。为了更好地理解这一点，我们需要想象一下玻璃的原子结构。“玻璃的化学组成和加工后的表面质量，对其抗碎裂性能和抗刮擦性能有很大影响。”
现代优质的盖板玻璃通常以锂和铝混合物为基础。这种类型的玻璃被称为锂铝硅（LAS）玻璃。目前，还有一种更新型的玻璃——锂铝硼硅（LABS）玻璃，硼元素在其中起到很重要的作用。
更硬，更好，更坚韧
有一些工艺可以增加玻璃的强度。例如物理强化，这种工艺被广泛应用于建筑玻璃。玻璃板被均匀加热至接近摄氏100°C，高于变形所需的温度。然后玻璃表面被迅速冷却，此时玻璃内部温度暂时高于其表面。这会向玻璃内部施加压应力，使它更坚固。另一种工艺是使用夹层玻璃，例如汽车挡风玻璃使用的就是这项工艺。夹层玻璃至少由两块玻璃通过中间塑料层永久粘合而成。
但是这两种工艺并不适用于智能手机盖板玻璃，因为这种玻璃比一般车用和建筑用玻璃要求更高。例如，盖板玻璃必须能承受掉落在水泥地等坚硬地面时产生的冲击。此外，盖板玻璃太薄无法进行物理强化。因此，只能依靠化学强化来解决这个问题。
化学强化——制造坚固盖板玻璃的不二之选
无论是锂铝硅（LAS）盖板玻璃还是锂铝硼硅（LABS）盖板玻璃，都需要化学强化。“我们不会对玻璃进行物理强化，而是通过化学过程使玻璃具有压应力，来应对导致碎裂的拉应力。这样，在遭受冲击或弯曲导致的拉应力时，玻璃的耐受性会更好。”玻璃专家 Jochen Alkemper 解释道。
化学强化一步法：将原料玻璃浸入到熔融状态的钾盐中，由于玻璃表层含有许多钠离子，在玻璃表层的钾离子与钠离子发生交换。钾离子体积更大，玻璃表面产生压应力。由于钾离子无法完全穿透玻璃，这种压应力从表层向内逐渐递减。所以在玻璃内部，产生了一股与玻璃表面的压应力反向的拉应力，即一股相反的力。
制造最新一代含锂玻璃（锂铝硅LAS和锂铝硼硅LABS玻璃）化学强化需要两个步骤：第一步，锂离子与钠离子发生交换。钠离子比锂离子大，因此形成初始应力。第二步，钠离子再与更大的钾离子发生交换。相比之前的一步法，两步法能使玻璃实现更深层的强化，玻璃在受到冲击时，抗跌落破损性能尤其出色。
当玻璃碎裂时，分子层面究竟发生了什么？
为了找到答案，我们拜访了物理学家 Inge Burger。她任职于美因茨的肖特研发部，是盖板玻璃强度和质量专家。在过去的十多年，这位专家日复一日地研究盖板玻璃和其他玻璃的强度。每次她都用不同的方式一遍遍地测试玻璃。
Inge Burger 简介
Inge Burger 拥有物理学位。从维尔茨堡大学毕业后，她专注于测试技术领域，于2007年加入肖特。她研究的专业领域是玻璃破碎及其对强度的影响。自2010年起，她深度参与了盖板玻璃的强度研究，主要研究方向包括弯曲、冲击、抗刮擦和裂纹的影响。
玻璃的表面和边缘至关重要
“对任何的玻璃来说，表面加工都是关系抗跌落破损性能的关键工艺。玻璃原料的表面和边缘越是完美无缺陷，玻璃破碎的可能性就越小。” Inge Burger 说，她正站在一个测试设备前，设备上装载着一块又薄又柔韧的玻璃。她按下按钮，玻璃就开始弯曲，接着出现裂纹，然后碎成小块，从测试设备上散落。
“这项测试表明这块玻璃并未经过化学强化。所以它在弯曲压力下，很快就碎了。”伯格评论道。“我们再试一次。” 测试条件不变，她选了经过化学强化的玻璃，厚度与之前那块相同。按下按钮，机器启动；玻璃开始弯曲，持续弯曲。突然听到了毫无征兆的一声巨响，这块玻璃立即碎成了上千块碎片。
“预应力使玻璃在碎裂之前有很大的弯曲量。在破碎临界点上，它承受了巨大的张力，然后突然碎掉。这就是离子键断裂时，力以裂纹的形式释放出来，导致玻璃破碎。”
这也解释了手机掉落后为何会形成碎屏。如果经过化学强化的玻璃碎了，裂痕会同时向不同方延伸，形成蜘蛛网状外观。由于盖板玻璃和智能手机显示设备相连，碎裂的玻璃尚能保持其原有形状。
以防万一：盖板玻璃必须达到要求
对专业玻璃制造商而言，材料的质量至关重要，是所有玻璃特性的基础。另外，玻璃原料以及优化化学强化过程都对玻璃的特性有重要影响。在加工阶段，减少玻璃表面和边缘的缺陷也十分重要。坚固的智能手机盖板玻璃也不例外。然而，玻璃在化学强化过程中被引入的压应力极大地提高了盖板玻璃的强度。相比加工其他类型玻璃时使用的一步强化法，加工现代锂铝硅玻璃和前沿锂铝硼硅玻璃时使用的两步强化法工艺更先进。尤其是锂铝硼硅玻璃可极大地提升手机在坚硬地面上的抗摔性能。
为什么掉落高度在跌落测试中意义不大
现代智能手机抵御进水、灰尘或者落地冲击力这类外部影响的能力越来越强。在电子设备上安装玻璃与选择盖板玻璃的规格，两者对抗碎裂性能的影响同样重要，比如手机上的玻璃面板。电子设备的设计同样也极大地影响着玻璃的性能——这种影响可能是积极的也可能是消极的。盖板玻璃强化后的厚度也很重要。一般来说，厚度越大，抗摔性能越好。然而，随着现代智能手机设计日益追求轻薄化，玻璃也需要尽可能减重。高性能盖板玻璃需要在小于0.7毫米的厚度下保持性能不变。保持性能且兼顾轻薄，我们需要不断找寻两全其美的方案。
人类何时才能用上不会碎的玻璃？
Inge Burger 笑着说道：“最新的盖板玻璃已经接近不碎，但这并不是技术终点。我们一定会坚持不懈地开展研发工作，向不会碎的玻璃迈进。”