玻璃由于其优异的光学性质、硬度和耐久性,被广泛应用于我们的生活中。但是,固有的脆性和差的抗冲击性能使其失去了在承重方面的应用。虽然层压、回火等手段虽然能改善抗冲击性能,但是始终不能抑制其脆性。
在大自然的发展演变中,出现了很多具有抗冲击性能的材料,其中就包括存在于贝壳中的珍珠层,它可以保护软体动物的软体部分免受捕食者和恶劣环境的威胁。珍珠层具有一个复杂的分层结构,其中扁平多边形“砖”片的碳酸钙(文石)嵌入于有机蛋白质“砂浆”中,并以柱或片排列,具有改善断裂韧性和延展性的优点。
普通玻璃
仿珍珠玻璃
近日,加拿大麦吉尔大学的F. Barthelat教授团队提出了一种仿珍珠层的夹层玻璃,它模仿了软体动物贝壳珍珠层的三维“砖-实体”排列,由周期性的三维结构和透明热塑性弹性体制成,利用片剂滑动克服了玻璃固有的脆性。通过聚焦脉冲激光束将片剂的轮廓雕刻在硅酸盐玻璃板上,利用乙烯-乙酸乙烯酯(EVA)作为界面材料,将雕刻的玻璃板层压在一起,使片剂呈现类似于天然珍珠层的三维交错排列。这种珍珠质玻璃的抗冲击性能比夹层玻璃和钢化玻璃高两到三倍,且能保持良好的强度和刚度。该设计着重解决了玻璃材料的脆性问题,为玻璃在新的、更具挑战性的应用中提供基础。
Kyriaki Corinna Datsiou在Science杂志撰写评述称:使用这种接近天然珍珠质的方法可以改善玻璃的刚度、强度和韧性。然而,与传统夹层玻璃相关的常见问题依然存在,例如在其使用寿命期间由环境条件驱动的分层,边缘稳定性和聚合物降解等问题。解读这些影响将提高对如何有效生产抗冲击,透明和耐用的生物玻璃的理解。
图文速递
图1. 仿珍珠玻璃板的设计和制备
(A)天然珍珠母由95%(体积)的矿物片制成,用较软的有机砂浆黏合。珍珠层可以通过微片彼此滑动并在大体积上滑动而变形,阻止裂缝并吸收冲击能量。(B)珍珠质玻璃面板的制造方案(比例尺:100 mm)。(C)片剂几何形状和重叠结构的细节(比例尺:500 mm)。(D)与普通层压板相比,珍珠质玻璃板的透光率。(插图)典型雕刻面板的光学清晰度(比例尺:10mm)。
图2. 小珍珠般玻璃板的穿孔
(A)实验装置:以准静态速率用加载鼻刺破简单支撑的玻璃面板。(B)纯硅酸盐玻璃和纯EVA板,普通层压板和具有[5A]和[1P4A]层配置的珍珠层板的穿透力-位移曲线。(C)在穿刺之前和穿刺期间(位移=3 mm)的平面层压和珍珠层状面板。选择照明和背景以突出雕刻图案。比例尺:5 mm。(D和E)性能图。(D)不同材料和设计的最大力(强度)与刚度和(E)穿刺能量与最大力的关系。
图3. 显微CT扫描和分析普通层压板和珍珠层样板。
(A)穿刺样品的三维显微断层图(对于普通夹层玻璃,微粒阵列刻在层的表面以跟踪它们的相对滑动)。(B)最下层夹层滑动距离的映射,在类似珍珠层的设计中显示出更大且更分散的滑动。(C)面板中最下层夹层中的SMI图,也显示了滑动矢量。(D)示意图显示了对应SMI三个值的三种滑动机制。片剂滑动通常在基于六角形片剂的面板中,呈现双向和各项同性。
图4. 大型珍珠质面板和其他透明材料的冲击试验。
(A)实验装置:以2.34 m/s的速度冲击简单支撑的面板(50 mm×50 mm×3 mm)。(B)针对六种设计和材料的质量密度性能图进行穿刺时的能量图(均具有相同的整体尺寸)。(C)来自高速摄影的相应快照。比例尺:10 mm。
原文链接:https://science.sciencemag.org/content/364/6447/1260
评述链接:https://science.sciencemag.org/content/364/6447/1232
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