弄傷全網最帥小張的鋼化玻璃,怎麼就自爆了?

本文轉載自公眾號：中國科普博覽

作者：可可

昨天的微博熱搜，一直被小張佔據著，並一直處於「沸」的狀態。

來源：微博熱榜

小張是誰？究竟發生了什麼事？能引發全網關注。

原來這是1818黃金眼發布的一個新聞：寧波小夥小張近日在洗澡時，租住公寓的浴室鋼化玻璃門突然破裂，導致小張手部受傷。因為無法與物業就賠償方案達成一致，他聯繫了媒體曝光此事。

一個普通的民事糾紛，沒想到卻演變成了全網第一的熱點事件，甚至佔據熱搜頭名幾乎一整天。很多人對小張空降熱搜榜首的原因感到不解，看到評論才明白，最重要的原因可能和小張的長相有關。畢竟，評論裡整齊劃一地都在誇小張帥。

越來越多吃瓜群眾的湧入導致小張事件的熱度持續上升，甚至到了下午，話題「小張這麼帥怎麼可以受傷」都衝上了熱搜前五。

帥與不帥跟每個人的審美情趣有關，我們不做過多評價，不過鋼化玻璃倒是值得好好地說道說道。

鋼化玻璃與普通玻璃相比，為什麼有更高強度？又為什麼會突然發生破碎？鋼化玻璃和防彈玻璃是一回事嗎？鋼化玻璃又有哪些奇特的性質？

借著小張事件的東風，我等吃瓜群眾在欣賞小張俊美的容顏之外，也該順便學點與玻璃有關的生活常識。

Part. 1

更高強度的鋼化玻璃是如何生產出來的？

本質上來說，鋼化玻璃和普通玻璃的材質是類似的，沒有特殊之處。讓鋼化玻璃產生強化效應的是它獨特的製作工藝。

正常的平板玻璃的製作過程是：原料經過高溫熔融，形成均勻無氣泡的玻璃液；當玻璃液冷卻到可以進行機械加工的溫度範圍內時，對其進行壓延，形成平板形態；冷卻下來的玻璃內部應力極大，需要再進行退火，即在一個較低的溫度下再加熱一段時間並緩慢冷卻，以此降低內部應力，穩定內部結構。

玻璃工廠照片 來源：維基百科

而鋼化玻璃則要在上述工藝最後再補上一個強化的步驟，具體來說就是，在得到確定尺寸的普通玻璃後，將其加熱到650℃到700℃左右的玻璃軟化點附近，然後在玻璃兩側同時用高壓氣流吹氣，使之急速冷卻。此時玻璃表面將率先降溫收縮，在兩側表層內形成具有很高內部壓應力的結構。之後冷卻的中心部則將隨之具有很高的內部拉應力。最終，玻璃兩側將形成各自約為1/6玻璃厚的壓應力層。

那麼為什麼是兩側受壓，中心受拉，而並非反過來呢？這主要是因為玻璃兩側遇冷收縮時，任何一個身處表層的位置都將受到來自四面八方的擠壓，因此表層中會形成壓應力層；而中心處因為冷卻較慢，來不及收縮，因此形成拉應力層。

我們可以把應力理解為是材料內部具有的「內在」力，較高的應力意味著材料內部存儲著額外的能量，因此會形成「不安分」的因素。例如夏天西瓜豐收時，有些熟透的西瓜稍微遇到一點外力就會自己爆開，這就是西瓜內部存在應力的表現。

那為什麼應力反而是玻璃得以強化的關鍵呢？

玻璃這種材料，有一個非常顯著的性質，那就是怕拉不怕壓。對於外界的壓力負荷有很強的抵抗作用，但承受拉力負荷的能力卻要低得多。假如我們把一片平板玻璃用四周的框架支起來，就像玻璃屋頂或者玻璃廊橋的橋面一樣。我們會發現玻璃受到荷重影響時，上方仍然處在受壓的狀態，但下方其實是受拉的狀態。當載荷逐漸增加，玻璃撓曲程度加深，下方受到的拉應力也越來越大。最後，玻璃的下方，即未受載荷的那一面將先發生破壞。

鋼化玻璃雙側表面的壓應力區域很好地抵消了載荷影響，玻璃弱側（不受載荷的一側）的拉應力不會增加到普通玻璃相同的程度，也就沒有那麼容易發生斷裂。一般來說，經過強化處理的玻璃強度可以提高到原來的3到5倍以上。

玻璃受壓撓曲示意圖 來源：參考文獻3

Part. 2

鋼化玻璃真的會爆炸嗎？

鋼化玻璃雖然強度高，但是它絕對不是堅不可摧的。而且鋼化玻璃一旦發生破壞，就會迅速崩解，碎成渣渣。我們上面已經說過，鋼化玻璃其實是一種內部存在著很大應力的材料，正常情況下壓應力和拉應力得以平衡，玻璃自然也能維持完好的外在狀態。不過這種平衡一旦被打破，巨大的內應力就將瞬間釋放，從最先發生破壞的薄弱點傳遞到整塊玻璃，使其迅速碎裂。

最先發生的薄弱點有很多種，比如玻璃安裝、移動過程中的磕碰會讓邊緣乃至表面的壓應力層受損，形成裂口。如果裂口足夠深，抵達或者接近拉應力層，內部平衡的破壞會讓鋼化玻璃馬上破碎。因此鋼化玻璃的移動和施工過程要非常小心，避免任何瑕疵的發生。因為即便是非常淺的表面裂口，也會成為未來發生斷裂的薄弱環節。

還有的薄弱點來自內部，比如玻璃製造過程中內部存在的雜質顆粒等。日常生活中，鋼化玻璃在沒有受到任何外力作用的情況下也可能發生崩解，這種情形應該就是內部雜質惹的禍。玻璃的製作過程中，當然包含原料淨化一類工藝，但無論如何還是會有殘留雜質的存在。玻璃最常見的雜質是硫化鎳，它以顆粒物的形式聚集在玻璃內部。一旦受到外力（甚至根本沒受到外力），硫化鎳顆粒周圍的區域常常會率先發生破碎，整塊玻璃也將隨之崩解。

為了儘量避免這種情形的發生，很多廠家在鋼化玻璃的製作過程中，會對每一塊玻璃都進行熱浸（heat soak）檢測。具體方法就是，將玻璃加熱到300℃左右再冷卻下來，存在硫化鎳的玻璃基本上經不起這樣的折騰，都會自動崩解，以此來保證出廠產品儘可能不含有內部雜質。

不過，鋼化玻璃的崩解問題很難從原理上百分之百避免，除了儘可能提升產品質量外，還可以採用一些保護措施，比如，給玻璃貼上透明有機物貼膜，即便玻璃崩解，碎渣也不會四散飛濺。

在中國，建築物外牆的鋼化玻璃如果離地3米以上，就要求必須採用貼膜工藝。不過，話說回來，鋼化玻璃崩解雖然看著嚇人，但是遠比普通玻璃破裂安全。鋼化玻璃的內部構造決定了它崩解的過程中不會產生大塊的銳利碎片，而是形成缺乏尖銳稜角的小塊。

而且，所謂的崩解也並非是像爆炸一樣四散飛濺，鋼化玻璃內部應力產生的能量還遠遠無法讓碎片們四散飛起，更多的是原地落下。本次小張受傷恐怕是因為鋼化玻璃崩解瞬間，他和玻璃的距離實在太近，祝願他能儘快康復。

鋼化玻璃破壞原理 來源：參考文獻3

Part. 3

鋼化玻璃和防彈玻璃是不是一回事？

很多人都在電視上看過用大錘擊打鋼化玻璃的視頻，它們在重錘之下仍然完好無損。但鋼化玻璃的強度級別還是不足以抵擋子彈，子彈具有巨大的動能和極小的作用面積，因此擊碎鋼化玻璃不是難事。

真正的防彈玻璃主要有兩種，一種是透明的高分子聚合物材料，聚碳酸酯、PVB樹脂、聚氨酯等，實際製造過程中一般採用多層結構而非單一厚層。

另外一種是在玻璃中間夾雜透明有機物層，一般同樣採用多層結構，這樣玻璃在著彈後雖然會破碎，但有機聚合物層仍然可以讓碎片牢固地結合在一起。

防彈玻璃並非依靠自身的堅固性將子彈彈開，而是通過玻璃的破碎和樹脂層的捕集讓子彈動能消散，從而滯留在樹脂層上。為了實現足夠的防彈效果，防彈玻璃的厚度也日益增大，例如防彈頭盔的透明面罩或者防彈盾牌的觀察窗，厚度就達到30毫米以上。不過日常生活中，紫外線會讓聚合物層的性質發生改變，影響阻彈效果，因此防彈玻璃壽命大約都在3到6年左右。

還有一種玻璃雖然沒有防彈玻璃那麼高的耐衝擊規格，但同樣具有吸能、防崩解等特點，這就是所謂的防盜玻璃。防盜玻璃受到錘子一類銳器擊打，也不會發生整體的潰破，而且短時間內銳器也無法在其上突破出足夠人進入的孔洞，可以說是防彈玻璃的民用版。

鋼化玻璃（左）和防彈玻璃（右） 來源：維基百科

Part. 4

與鋼化玻璃有關的小知識

鋼化玻璃無法進行尺寸加工，必須在出廠前確定好尺寸。

鋼化玻璃雖然強度更高，但耐熱溫度和耐熱衝擊性能並不比普通玻璃更高，遇到急劇變化的溫度衝擊時很可能會崩解。

鋼化玻璃的表面硬度其實比普通玻璃還要低，因此相比而言更不耐磨。

鋼化玻璃的剛性（抗彎曲、撓曲的能力）並不比普通玻璃更強。

鋼化玻璃的表面平坦度比普通玻璃差，很多建築外牆映出的景色會變形就是因為這個道理。

利用偏光鏡去觀察鋼化玻璃時，如果光線的反射、觀察角度以及玻璃背面顏色滿足一定條件時，會看到幹涉條紋，這是其內部存在應力所致。

鋼化玻璃可能會發生崩解，但這種危險的事故本應該被避免，因此需要廠家在生產以及後續的安裝過程中多加注意，畢竟這可關係到每個人的安全，也希望不會再有因為鋼化玻璃而受傷的案例出現。

參考文獻：

1. 防弾ガラス

https://www.northglass.co.jp/product/glass/

2. クルマの防弾ガラスはどれだけ頑丈なのか？

https://car-me.jp/articles/11078

3. 板ガラスの強度と強化ガラス

https://www.asahiglassplaza.net/knowledge/rg_knowledge/vol24/