【材料科技】鋼鐵般的玻璃

■又是神奇的材料科學,玻璃強度跟鋼鐵相當到底是怎麼回事?

newglassalmo撰文|方程毅

生活中隨處可見的玻璃大家絕不陌生,可是真正去問一問身邊的人「玻璃是什麼?」可能沒幾個人答得出來。為了釐清這個概念,今天本文將針對「玻璃」進行比較深入的探討。要回答玻璃是什麼,我們必須了解「玻璃」(glass)其實有兩層涵義,第一種為材料學上的定義,泛指一切非結晶狀(amorphous)的物體 (非結晶的意思是組成材料的原子皆為不規則排列,亂無章法;而相反的便是結晶態,組成材料的原子規則且有固定位置的排列,例如:面心立方堆積或體心立方堆積等等)。不只日常生活中所見的玻璃是非結晶狀,碳鏈構成的高分子材料也普遍存在玻璃態,所以玻璃並不單單特指某種材料,而是材料的一種狀態;但這跟一般人對玻璃的概念有點差距,因此玻璃的第二種含意就是透明且不具備彈性的非結晶材料,應用於顯示器、手機螢幕或做為窗物及觀景窗等用途,這些玻璃主要材料是二氧化矽( \ SiO_{2} ),外加其他配料,例如:鈉鈣玻璃 (soda lime glass)便是添加氧化鈉, 碳酸鈉及氧化鈣;而硼矽酸鹽玻璃添加了三氧化二硼,又名耐熱玻璃。

我想各位讀者應該對第一種材料學涵義沒啥興趣吧,所以本文將針對第二種涵義:透明且不具備彈性的非結晶材料進行介紹。一般我們對玻璃的印象就是脆、摔了容易碎、強度不夠大,所以學界跟業界便不斷思考如何改善玻璃的機械強度,以增加耐用性,也因此有人提出用藍寶石取代玻璃作為螢幕材料(請見<寶石?螢幕?藍寶石究竟是什麼東西?>)。既然我們對玻璃的需求是透明且不易變形,若有其他材料也能展現這種性質同時擁有更好的機械強度,你還會在乎它是不是由二氧化矽組成嗎?

東京大學増野敦信教授的實驗室便研發一種強度相當於鋼鐵的玻璃,其組成成分為 \ 54Al_{2} O_{3} -46Ta_{2} O_{5} ,這項研究成果被發表在Scientific Reports上。這玻璃究竟有多強呢?提供一些無聊又冷冰的數字給各位參考。要衡量材料的強度,其中一項指標是楊氏係數(Young’s Modulus),楊氏係數相當於國中學彈簧虎克定律F=k*x的k,彈性常數。楊氏係數高即代表在彈性限度內,受力產生的形變較小,材料強度較強。 \ 54Al_{2} O_{3} -46Ta_{2} O_{5} 的楊氏係數高達158.3GPa,就算是全球知名玻璃製造商康寧公司生產的強化玻璃─大猩猩玻璃(Gorilla 4)楊氏係數也只有71.7GPa,而鋼鐵大約在200GPa左右,因此這個新玻璃材料的楊氏係數已經遠高於一般玻璃而接近鋼鐵了。另一個強度指標則是硬度(Vickers hardness), \ 54Al_{2} O_{3} -46Ta_{2} O_{5} 的硬度為9.1GPa,大猩猩玻璃只有6.1GPa,鋼鐵(麻田散鐵)大概在9.8GPa左右, \ 54Al_{2} O_{3} -46Ta_{2} O_{5} 在硬度方面的表現還更勝於楊氏係數。而増野敦信教授也在論文中同時證明,這個新玻璃如鋼鐵般堅硬卻同時卻還保有一般玻璃的性質:非結晶狀且透明,非常有機會取代市面上我們常接觸到的玻璃產品。

事實上玻璃強化一直是研究的重點,用其他材料取代二氧化矽也不是什麼新想法,但由於製程上使用的容器會讓結晶狀態難以控制,所以過去主要都還是以二氧化矽作為基底,直到近年來出現了無容器式製程(containerless processing)才讓其他材料為基底的玻璃研究更加順利,除了本文介紹的氧化鋁,另外還有二氧化鈦( \ TiO_{2} ), 五氧化二鈮( \ Nb_{2} O_{5} )或三氧化鎢( \ WO_{3} )等等。細心的你或許會發現結晶狀氧化鋁其實就是藍寶石,藍寶石本身當然也可以取代玻璃作為手機螢幕,而且強度非常高,只是成本也非常高,但就正因為氧化鋁本身即是個高強度材料,所以將氧化鋁及其他氧化物混入二氧化矽中以增加傳統玻璃的強度也是一種方法(例如 \ Y_{2} O_{3} -Al_{2} O_{3} -SiO_{2} \ CaO-Al_{2} O_{3} -SiO_{2} ),但因為加入參雜物也有濃度的限制,加上二氧化矽本身機械強度就不佳,所以想要機械性質佳的玻璃就勢必得想其他辦法,本文的 \ 54Al_{2} O_{3} -46Ta_{2} O_{5} 即是一個好例子。

只不過目前無容器式製程還無法大量生產,要取代二氧化矽為主要材料的玻璃還具有難度。野敦信教授表示:「我們接下來將會研發大量製備這種新材料的方法,希望五年內可以商業化。」

原始論文與圖片出處:
Rosales-Sosa, G. A. et al. High Elastic Moduli of a 54Al2O3-46Ta2O5 Glass Fabricated via Containerless Processing. Sci. Rep. 5, 15233; doi: 10.1038/srep15233 (2015).

參考資料:

  1. Gorilla Glass 3 vs 4
  2. Scientists develop 'unbreakable' glass almost as tough as steel
  3. Wikipedia:Young's modulus
  4. New glass almost as tough as steel
  5. 科學Onlin:玻璃(Glass)(一)-(四)

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作者:方程毅 科教中心特約寫手,從事科普文章寫作。

 

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