讓玻璃變韌不是夢(mèng)——仿貽貝結(jié)構(gòu)透明、高韌復(fù)合材料

你是不是在日常生活中都經(jīng)歷過以下兩款痛心的經(jīng)歷：眼鏡不知道怎么的摔了，鏡片很優(yōu)美地裂開了幾瓣；放在桌子邊上的手機(jī)，一不小心來了一次自由落體運(yùn)動(dòng)，屏幕呈現(xiàn)出屏碎后樹枝狀的裂紋。親，這邊建議您換眼鏡和手機(jī)哦！

不，倔強(qiáng)的人們?cè)跄芫痛斯怨蕴统鲎约旱腻X包！近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院André R. Studart 教授團(tuán)隊(duì)在稠密的貽貝結(jié)構(gòu)啟發(fā)下，以一種簡(jiǎn)單易行的方法制備得到一款透明的，且擁有比鋼化玻璃更強(qiáng)的抗裂紋增長(zhǎng)能力的高韌復(fù)合材料。相關(guān)研究以名為“Transparent and tough bulk composites inspired by nacre”發(fā)表在《Nature Communications》中。

該款復(fù)合材料制備工藝十分簡(jiǎn)單，如圖1所示。

圖1 該款透明高韌玻璃復(fù)合材料的制備流程。采用抽濾的方法得到玻璃粉末濾餅，后采用單軸壓縮將濾餅壓縮至所需厚度。將該濾餅放入600℃烘箱進(jìn)行燒結(jié)，*后利用聚合物材料進(jìn)行浸沒，*后得到玻璃復(fù)合材料。

經(jīng)過抽濾，玻璃粉末片與片間形成稠密的高度有序的結(jié)構(gòu)。繼而使用高溫?zé)Y(jié)的辦法，使得玻璃粉末間產(chǎn)生黏連，進(jìn)而用聚合物填充玻璃間的空隙。這樣的結(jié)構(gòu)使得該復(fù)合材料擁有良好的韌性，其抵抗裂紋擴(kuò)展的能力得到很大的提升（圖2）。從Ashby圖中看出，該研究中的玻璃復(fù)合材料比鋼化玻璃的抗裂紋增長(zhǎng)能力高出三倍，同時(shí)保持著與常見硅基玻璃的斷裂強(qiáng)度。

圖2 幾款玻璃材料及本研究中的玻璃復(fù)合材料的力學(xué)性能Ashby圖（其中藍(lán)綠紅圈分別代表玻璃含量為35%，45%和59%的玻璃復(fù)合材料。實(shí)圈和空圈分別代表裂紋萌生臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子和裂紋擴(kuò)展臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子）

研究中，采用了與玻璃折射率相近聚合物填充玻璃塊中的空隙，一方面大大降低了玻璃與空氣因折射率不匹配導(dǎo)致的材料不透明程度，另一方面利用聚合物的塑性變形消耗部分外力，從而達(dá)到優(yōu)良力學(xué)性能。該復(fù)合材料光學(xué)性能如圖3所示。

圖3 a.研究中所用的聚合物材料、玻璃復(fù)合材料、玻璃塊的光透過性能。b.玻璃塊的照片。c~e.玻璃復(fù)合材料的照片，其中玻璃含量分別為35%，59%和45%。

可見，采用仿貽貝稠密結(jié)構(gòu)，將于玻璃折射率匹配的聚合物填充入玻璃塊中，制備得到玻璃復(fù)合材料，具有高的光學(xué)透明性和韌性，未來還可以通過進(jìn)一步的優(yōu)化，制備得到光學(xué)透明性更好的復(fù)合材料。這將有望替代鏡片或是手機(jī)的玻璃蓋板，可以說是，媽媽再也不怕我刷眼鏡和手機(jī)啦！

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