中国科学院过程工程研究所研究员李建强团队,近期研制出一种高熵玻璃。李建强介绍,该款氧化物高熵玻璃,在硬度、模量和断裂韧性等指标上远超美国康宁公司的“第六代大猩猩玻璃”,在盖板玻璃(电子产品触控面板玻璃)领域具有重要的潜在应用。有关成果已在国际科学期刊《细胞》(Cell)子刊iScience上发表。

《中国科学报》报道,高熵是近年来合金、陶瓷等领域对一类新型材料体系的称呼,此概念最早来自于高熵合金。传统的合金材料主要由1、2种主要组元组成,再加入其他微量元素提升特性。而高熵合金的主要组元通常为4、5种以上,且各种组元的含量接近等比例。在以往的概念中,合金中加的金属种类愈多就会愈脆,但高熵合金即使添加多种金属也不会脆化,是一种颠覆性的材料设计新方法。

高熵合金的主要组元通常为4、5种以上。(人民号)

高熵玻璃具有破纪录的硬度(12.58 GPa)和模量(177.9 GPa),以及优异的断裂韧性(1.52 MPa·m0.5)和良好的可见光—近中红外波段透过性(最大86.8%),多项指标远超第六代大猩猩玻璃(硬度6.78 GPa、模量77 GPa、断裂韧性0.7 MPa·m0.5)。

除此之外,高熵玻璃的高模量在一定程度上亦反映玻璃抵抗划痕的能力。研究团队报告了3种新型的多组分玻璃,通过无容器熔体急冷工艺制备,可以使玻璃具有很高的硬度和杨氏模量。据介绍,模量(指杨氏模量)是描述固体材料在外力作用下抵抗弹性形变能力的物理量。

现有手机、平板电脑屏幕的盖板玻璃,可分为高铝玻璃和钠钙玻璃两种,前者俱有更好的性能,但两者都含有较多的网络形成体(如SiO2、B2O3)等。李建强指出,含有网络形成体一定程度上会限制玻璃新体系开发和性能提升,但高熵玻璃不含网络形成体,同时引入高熵材料设计理念,在玻璃中加入氧化钛、氧化锆等能够改变微观配位数的组元,共同组成玻璃的主体。

高熵玻璃的硬度(12.58 GPa)和模量(177.9 GPa)远超第六代大猩猩玻璃。(iScience)

高熵玻璃的形成能力较低,冷却过程中易析晶且熔点较高,用传统的熔融冷却法比较难制备。为解决问题,研究人员合理选取多主元组分,并采用“激光加热熔化—无容器凝固”方法,借此熔化氧化锆等超高熔点物质。论文第一作者、中国科学院大学在读博士生郭永昶介绍,由于样品制备过程中处于悬浮状态,可以有效抑制接触容器壁形成的非均匀形核,进而抑制析晶,同时激光加热具有快热快冷的优点,可以使熔体达到深过冷状态并实现快速凝固,从而解决玻璃样品制备的难题。

虽然高熵玻璃样品比第六代大猩猩玻璃的各项指标提高约1倍,但李建强坦言,不能简单地说“抗摔性就可以翻倍”。他表示,盖板玻璃的抗摔程度综合反映了脆性和断裂韧性参数,和硬度也有一定的关系。目前,高熵玻璃样品仍处于实验室阶段,尚未测试玻璃的抗摔性,但样品的断裂韧性测试指标高于第六代大猩猩玻璃,在一定程度上说明样品在后期整机装样测试时,会取得比较好的抗摔性。

李建强表示,一个走向市场的成熟产品不仅需要某些突出的优点,还需要各方面性能有较好的均衡。对于盖板玻璃,除了模量以外,往往还要求玻璃具有良好的透过性、脆性、断裂韧性等,制备工艺的复杂性和成本也是影响其应用的重要因素。前期研究的关注点主要放在力学性能方面,对于其电学性能,如导电率、灵敏度,还有介电常数等,后期将集中测试分析,并尝试制备满足装机要求的盖板玻璃,逐步推进各项性能测试。

「版权声明:本文版权归多维新闻所有,未经授权,不得转载」