科学家提出新型玻璃增韧策略，将氧化物玻璃韧性提升两倍以上

作为非晶无机非金属材料的一种，玻璃的理论强度比实际强度大得多。

例如，人们生活中常见的玻璃材料，理论强度通常能达到几个GPa甚至十几个GPa，但其实际强度却在500MPa左右，仅有前者的1%甚至更少。（Pa是压强的单位，1GPa=1000MPa。）

致使玻璃的实际强度非常低的原因有很多，缺乏微观结构控制的增韧作用就是其中一种。简单来说，玻璃的韧性很低，非常容易开裂，从而对其技术应用造成了根本性的限制。

目前，相关领域的研究人员一般采用以下几种策略对玻璃进行钢化。

其一，调整玻璃的外部应力。先对玻璃实施热处理，然后再快速冷却，使其表面形成一个应力层，能够在遭受外部力量的冲击时，帮助抵消一部分应力。

其二，调整玻璃的内部结构。比如通过化学组分设计，进一步提升玻璃的韧性。

其三，原位析晶法。控制玻璃的退火温度，使其能够析出一部分晶体，进而提升一定的韧性。需要说明的是，该方法存在缺陷，只有在特殊的体系中，在析出晶体的尺寸被控制得非常好的条件下，才不会破坏玻璃的光学特性。

基于此，为了不影响玻璃性能的发挥，该领域的科学家们仍在孜孜不倦地追求更好的玻璃钢化策略。

准晶氧化物玻璃的增韧机理

近期，来自德国拜罗伊特大学、中国宁波大学和北京高压科学研究中心等单位的研究人员，以铝硅酸盐玻璃为试验对象，通过准晶化对氧化物玻璃进行了特殊增韧。

他们通过高温、高压的方式对玻璃进行了退火处理，来调控其固有的短程有序原子级结构，从而均匀形成了遍布玻璃结构的类晶体中程有序团簇。

这些类晶体团簇的尺度约为1纳米，当受到外部应力时，首先会失稳，然后会朝着初始的玻璃态发生转变。也就是说，应力作用会促使类晶体相变为非晶态，并导致塑性变形。

事实上，氧化物玻璃几乎不存在塑性变形。一旦出现塑性变形，就会极大程度提升玻璃的韧性。

“这种提升来源于两个方面。首先，塑性变形会消耗一部分能量，缩短玻璃裂纹传播的距离。其次，塑性变形会改变裂纹尖端的形态，让这里的类晶体得以重新分配，进而阻止裂纹扩展。”拜罗伊特大学洪堡博士后唐虎（现为吉林大学教授）解释道。

实验数据显示，该氧化物玻璃的韧性从原来的0.66MPa·m1/2，实现了两倍以上的提升，达到1.99±0.06MPa·m1/2，超过此前文献报道过的所有块状氧化物玻璃的韧性。

值得一提的是，由美国康宁公司生产的、在高端智能手机屏幕中应用的大猩猩玻璃以超高的韧性而闻名，但其韧性也仅仅只有该氧化物玻璃的1／3。

近日，相关论文以《通过准晶化增韧氧化物玻璃》为题发表。