Science：这块玻璃，敲不碎

2018年5月14日，重庆飞往拉萨的3U8633航班在起飞42分钟后，驾驶舱右座前风挡玻璃突然破裂并脱落，瞬间失压，机内温度骤降，万幸的是，机组人员应对得当，成功备降成都双流机场，所有乘客平安落地。

驾驶舱玻璃突然破裂并脱落。图片来源：凤凰网 ^[1]

“川航5.14事件”只是玻璃破裂导致大量事故中的一个。玻璃的透明度、硬度、耐久性都不错，物美价廉，是应用非常广泛的材料。然而，玻璃同时也很脆，不耐冲击，往往是交通工具、建筑物以及智能手机中最薄弱的环节（那些年，我们一起碎过的手机屏……）。目前，除了利用回火来提高强度和抗冲击性的钢化玻璃之外，还有就是在玻璃板中嵌入聚合物层，形成夹层玻璃，很多景区的玻璃栈道就是采用的这种设计。不过，这些方法可以增加玻璃复合材料的强度，并不能真正提高其中玻璃部分的韧性，让人踩上去时难免心惊胆战。

自带“惊喜”效果的玻璃栈道。图片来源于网络

近期，加拿大麦吉尔大学Francois Barthelat教授课题组在Science 发表文章，报道了一种抗冲击的仿生玻璃复合材料，其灵感来源是自然界的贝壳珍珠层（nacre）。这种具有类似珍珠层3D“砖-泥（brick-and-mortar）”微观结构的玻璃，在保留高透明度、强度和刚度的同时，还具有高韧性，它的抗冲击性比夹层玻璃和钢化玻璃高2到3倍，比起普通玻璃来更是要高15到24倍。

仿珍珠层抗冲击玻璃。图片来源：Science ^[2]

先来说说贝壳珍珠层（也称“珍珠母”）。贝类的外壳具有良好的强度和韧性，可以保护内部柔软的身体，这要得益于珍珠层独特的片层堆叠方式，即将扁平多边形“砖”（碳酸钙）嵌入到了有机物“泥”中。

贝壳珍珠层结构。图片来源：PNAS ^[3]

研究者希望将珍珠层的这种3D“砖-泥”微观结构“拷贝”到玻璃材料上来。他们利用脉冲激光束在220微米厚的普通硼硅酸盐玻璃板上雕刻出正方形或六边形图案，制备了玻璃片层。乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）由于剪切变形能力很强（大于800%），研究者因此选用其作为玻璃片层之间的高分子粘结层，可以有效吸收冲击过程中的高能量。通过玻璃片层和EVA层（约125微米厚）交叉叠加，再层压就得到了仿珍珠层玻璃（下图B）。

仿珍珠层玻璃的设计和制造。图片来源：Science

上述制备过程中有个细节非常关键，那就是硼硅酸盐玻璃板激光雕刻的程度要把控的刚刚好。既不能太狠，雕刻之后的玻璃还要能保持片层完整，不至于一碰就散开；又要足够狠，在后续的层压过程中刻出的每个小片都要能够断开，受控地相互分离，如此才能“拷贝”珍珠层的3D“砖-泥”微观结构。除了小片形状上正方形和六边形的不同，作者还尝试了不同小片尺寸以及不同层叠方式对于仿珍珠层玻璃性能的影响。首先测试的是透明度，在可见光范围内，仿珍珠层玻璃的透光率比普通夹层玻璃的透光率只低10%左右，也没有任何图像失真（上图D）。

弯曲试验。图片来源：Science

作者又对不同结构的仿珍珠层玻璃和作为对照的硼硅酸盐玻璃、EVA片和常规夹层玻璃进行了穿刺实验。仿珍珠层玻璃的结构有4种：5层雕刻正方形图案玻璃（Sq[5A]）、1层平板玻璃顶层加上4层雕刻正方形图案玻璃（Sq[1P4A]）、5层雕刻六边形图案玻璃（Hex[5A]）、1层平板玻璃顶层加上4层雕刻六边形图案玻璃（Hex[1P4A]）。这些仿珍珠层玻璃的厚度仅有1.6毫米。实验结果表明，Hex[1P4A]结构的综合性能最佳，也就是说六边形小片要在相同条件下优于正方形小片。相比之下，如果没有平板玻璃顶层，仿珍珠层玻璃的表面硬度、强度、防水性、结构稳定性都会下降。而小片尺寸较小（L = 1.5毫米）时，小片可在受压时滑动，且不会碎裂，表现出了更好的性能。

穿刺实验。图片来源：Science

界面的剪切变形是仿珍珠层玻璃韧性的主要来源，也是能量耗散的主要机制。通过对仿珍珠层玻璃的显微CT扫描和模拟，研究者分析了界面处的剪切变形数量和类型。通过量化计算，夹层玻璃中的界面滑动距离相对较小，而仿珍珠层玻璃的滑动距离更大，分布也更均匀。

显微CT扫描和分析。图片来源：Science

最后是抗冲击实验，测试对象是50毫米 × 50毫米 × 3毫米的仿珍珠层玻璃以及普通硼硅酸盐玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）片、常规夹层玻璃、钢化玻璃。其中仿珍珠层玻璃采用Hex[2P8A]（L = 1.5毫米）结构，即2层平板玻璃顶层加上8层雕刻六边形图案玻璃依靠EVA层压而成。结果表明，PMMA材料最轻，却也最不堪一击。而基于Hex[2P8A]结构的仿珍珠层玻璃取得了最终的“胜利”，其抗冲击性能远高于钢化玻璃和夹层玻璃，而且被冲击后几乎没有产生碎片。

冲击实验。图片来源：Science

整个制备过程中，所用到的激光雕刻和层压制造方法十分常见，成本低廉，适用于大规模生产以及各种应用，包括汽车和建筑上的玻璃、光伏系统、保护结构等。“我们正在开发可弯曲版本的仿珍珠层玻璃”，Barthelat说 ^[4]。

英国诺丁汉大学的工程师Kyriaki Corina Datsiou说：“贝壳的结构已经被发现几十年了，但这是第一次被用于夹层玻璃。”向自然学习，看来关键还是要想前人所未想啊。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Impact-resistant nacre-like transparent materials

Z. Yin, F. Hannard, F. Barthelat

Science, 2019, 364, 1260-1263, DOI: 10.1126/science.aaw8988

参考资料：

1. 玻璃破裂川航航班细节：起飞42分钟后

http://news.ifeng.com/a/20180615/58744557_0.shtml

2. Kyriaki Corinna Datsiou. Bioinspired improvement of laminated glass. Science, 2019, 364, 1232-1233. DOI: 10.1126/science.aax9677

https://science.sciencemag.org/content/364/6447/1232

3. Luo W, Bažant Zdeněk P. Fishnet model for failure probability tail of nacre-like imbricated lamellar materials. PNAS, 2017, 114, 12900-12905. DOI: 10.1073/pnas.1714103114

https://www.pnas.org/content/114/49/12900

4. New type of glass inspired by nature is more resistant to impacts

https://phys.org/news/2019-06-glass-nature-resistant-impacts.html

（本文由小希供稿）