【日常科普】你了解鋼化玻璃嗎?

【日常科普】你了解鋼化玻璃嗎？

2020-09-30 16:04 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

最近的一個微博熱搜，一直被「小張」佔據著，並一直處於「熱沸」的狀態。但是傳著傳著，這個小張被上熱搜的原因漸漸走偏了。因為諸多女性網友都盯著小張顏值了，而根本沒有重視那真正的起因——鋼化玻璃自爆。

按我們正常的思維模式中，從字面上來理解鋼化玻璃，應該是比正常普通的玻璃要強度更高啊，據說硬度更高的鋼化玻璃還能防子彈，這也能自爆？那鋼化玻璃和防彈玻璃是一回事嗎？

其實，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。

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。

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。所以當普通玻璃上方的負荷過大，比如上面站了一個人的吧，基本就是破碎的結果，而且破碎面的切口非常非常鋒利。

而鋼化玻璃在製作過程中受過高溫急速冷卻的結果，雙側表面的壓應力區域能很好地抵消了載荷影響，玻璃弱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。

但是，鋼化玻璃雖然強度高，但是它絕對不是堅不可摧的。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。舉個例子，公交車上的車窗玻璃邊上配有一個破窗錘，只要敲擊車窗玻璃上的四個矩形的點就可以徹底讓車窗碎成碴碴。

那鋼化玻璃在沒有外力的情況下，

是怎麼會自爆的呢？

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。所以這次「小張」家中浴室的鋼化玻璃自爆很有可能在當初安裝的初期就已經埋下了隱患。

當然了，還有鋼化玻璃出廠時就留下了隱患，那就是質量問題。比如，在製造過程中內部存在的雜質顆粒等。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，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。

鋼化玻璃和防彈玻璃是一回事嗎？

其實不是，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。所以現在的防彈玻璃從安全性來考慮也越做越厚，有些可以達到30毫米以上。但是有一個問題，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。

最後總結一下，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。鋼化玻璃可能會發生崩解，因為在生產過程中可能會混入雜質。鋼化玻璃相比普通玻璃最大的優勢，在生活中可以體現出來的就是，鋼化玻璃破碎時產生的是一大堆碴碴，普通玻璃卻是大片大片的鋒利破片，這對我們的安全是最大的威脅。

來源：中科院物理所公眾號、科普中國、網易新聞

原標題：《【日常科普】你了解鋼化玻璃嗎？》

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