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材料科學家利用納米顆粒讓玻璃強度提高5倍

2019-08-09 來源：粉體圈

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【中玻網】加州大學洛杉磯分校的機械工程師和材料科學家已開發(fā)出一種利用納米顆粒來增強玻璃原子結構的工藝，實驗證明這種產品的強度至少比現(xiàn)有的任何玻璃強5倍。

　　通過這種工藝可制備出多種工業(yè)用途玻璃，如可承受高溫的發(fā)動機部件、工具，建筑用途的門、桌子以及特殊設計的玻璃等。目前該研究成果已在線發(fā)表在Advanced Materials期刊上，未來將被納入到印刷版中。作者寫道，利用同樣工藝也可以制造更堅固的陶瓷，如能承受較端高溫的航天器部件。

　　在材料科學中，“韌性”是用于衡量材料抵抗裂紋擴展斷裂的能力的一個數值。雖然玻璃和陶瓷的韌性可以通過外部處理（如化學涂層）進行增強，但這些方法并沒有改變材料本身易碎的事實。加州大學洛杉磯分校的研究人員從金屬的原子結構中得到啟發(fā)，認為如果能在玻璃種加入這種結構，那么材料就在受到沖擊時就有可能不會發(fā)生破裂。

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破碎的玻璃

　　“結合玻璃和陶瓷的化學鍵其實非常僵硬，而金屬中的鍵合則具有一定的靈活性，”加州大學洛杉磯分校薩繆利工程學院研究員Xiaochun Li說。“當沖擊力足夠大時，玻璃和陶瓷中產生的裂縫會以大致筆直的路徑快速傳播通過材料。但當金屬遭受沖擊時，由于化學鍵較易變形，因此可作為減震器使得原子能在保持結構的同時四處移動。”

　　因此研究人員設想，若能向玻璃中注入碳化硅納米顆粒（類金屬陶瓷），或許材料就能在開裂前吸收更多能量。為了有助于確保納米顆粒均勻分散，他們將納米顆粒添加到華氏3000度（約1649攝氏度）的熔融玻璃中。待玻璃凝固后，嵌入的納米顆粒就會成為潛在裂縫的障礙。當斷裂確實發(fā)生時，微小的顆粒會迫使它分支成微小的網絡狀，不再呈直線通過，使玻璃在開裂之前能從裂縫中吸收更多的能量。

　　目前加州大學洛杉磯分校團隊在實驗中開發(fā)出的玻璃塊呈微乳白色，不夠透明，但李認為這個工藝也適合創(chuàng)造透明玻璃。該研究的其他作者是李氏科學實驗室的訪問學者Qiang-Guo Jiang；于2018年獲得加州大學洛杉磯分校的博士學位的Chezheng Cao和Ting-Chiang Lin；廣東工業(yè)大學工程學教授Shanghua Wu。

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