聽過魯珀特之淚嗎？它被稱為世界上最堅硬的物質(zhì)之一，事實上鋼化玻璃的制造原理與它類似，當你理解這種魯珀特之淚背后的原理，那么也就懂了鋼化玻璃。

魯珀特之淚

當你把熔化的玻璃滴入水中時，玻璃會迅速冷凝，形成一個帶有長長尾巴的類似于水滴狀的玻璃結(jié)構(gòu)。通過這種方式得到的玻璃珠也被稱為“魯珀特之淚”。

這個名字的由來，據(jù)傳是查理一世國王的侄子魯珀特在1660年率先將這種奇特的玻璃制品帶到英格蘭的。當時在朝廷，魯珀特常用這個小東西戲弄人，于是它被稱為魯珀特之淚。

魯珀特之淚神奇的一面

這個看似普通的玻璃結(jié)構(gòu)擁有與普通玻璃完全不同的性質(zhì)，它的頭部異常堅硬。一個指甲蓋大小的玻璃頭，就可以承受20多噸的壓力，甚至如果你用子彈轟擊它的頭部，被轟碎的也是子彈自身。

之所以魯珀特之淚會擁有這么“變態(tài)”的性質(zhì)，這與它內(nèi)部的受力有關，其內(nèi)部的受力還得從它的形成開始說起。

當熔融狀的玻璃液滴滴入水中時，液滴的外表面接觸水后會迅速冷卻固化形成外殼，但其殼內(nèi)的玻璃還處于高溫狀態(tài)仍然是液態(tài)。當內(nèi)部液態(tài)玻璃溫度逐漸降低，體積開始收縮，收縮過程會使玻璃表面產(chǎn)生一個巨大的壓應力，而內(nèi)部被外表層拉伸，產(chǎn)生拉應力。

而正是表面這層玻璃形成的壓應力，使魯珀特之淚的頭部擁有超高的強度。

我們知道，玻璃的碎裂其實就是裂紋的擴展，但對于魯伯特之淚而言，即使其表面受外力而產(chǎn)生了微裂紋，但表面巨大的壓應力會阻止微裂紋進一步的擴大，因此從宏觀上它擁有超高的抵抗外界壓力的能力，很難破碎。

但魯珀特之淚還有一個特別有趣的地方，就是它的尾部特別脆弱，并且一旦尾部被擊碎，整個魯珀特之淚也會瞬間被粉碎。之所以會產(chǎn)生這種現(xiàn)象，是因為整個魯珀特之淚內(nèi)部擁有極大的內(nèi)應力，這個應力可以達到7000倍的大氣壓。表面的壓應力與內(nèi)部的拉應力形成了一個受力平衡，但這種平衡一旦被打破，則會瞬間失衡而爆裂。

由于魯珀特之淚擁有一條細長的尾部，在凝固過程中尾部內(nèi)外部冷卻速度接近，壓應力產(chǎn)生的強化作用有限，因此比較脆弱。如果尾部一旦破碎，尾部的淺裂紋會沿著軸線深入頭部，整個結(jié)構(gòu)內(nèi)應力失衡，導致整體的爆裂。

鋼化玻璃原理類似

事實上鋼化玻璃分為兩種，一種是物理鋼化，一種是化學鋼化。

物理鋼化

物理原理與上面形成魯珀特之淚的原理類似，也是經(jīng)過一個急冷的過程。

正常的玻璃生產(chǎn)是將原料熔融后形成均勻沒有氣泡的玻璃液，玻璃液下降至一定溫度后黏度變大，具有很大的塑性，此時便可以對玻璃進行機械加工，壓延形成平板形狀。冷卻后的玻璃內(nèi)部還具有一定的應力，因此還要將玻璃在較低溫度下進行加熱后冷卻，進行退火處理，消除內(nèi)應力，形成一個穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

而鋼化玻璃則要在上述工藝最后再補上一個強化的步驟，具體過程就是在得到普通玻璃的基礎上，再降其加熱到650℃到700℃左右的玻璃軟化點附近，然后在玻璃兩側(cè)同時用高壓氣流吹氣，使之急速冷卻。玻璃表面快速收縮并固化，于是玻璃會形成具有巨大壓應力的表層，之后冷卻的中心部則會產(chǎn)生很高的內(nèi)部拉應力。這整個變化過程與魯珀特之淚基本類似，玻璃兩側(cè)將形成各自約為1/6玻璃厚的壓應力層，上述過程也被稱為鋼化過程。鋼化后的玻璃同樣具有很高的強度，強化原理與魯珀特之淚一樣，這里就不在贅述了。

化學鋼化

化學鋼化則是利用化學方法進行強化，這種方法是將將含堿金屬離子的玻璃浸沒在熔融堿鹽中加熱保溫一段時間。在浸沒過程中，玻璃內(nèi)足夠接近表面的堿金屬離子能夠與熔鹽中堿金屬離子發(fā)生置換，當熔融堿鹽中堿金屬離子半徑大于玻璃內(nèi)部堿金屬離子半徑時，就會在玻璃表面形成擠壓效應，從而引入壓應力使得玻璃強度增加。

一般來說，由于采用鋼化技術成本較高，因此通過化學強化的鋼化玻璃一般都用在手機、平板顯示器，高鐵、飛機擋風玻璃等產(chǎn)品上。

鋼化玻璃的獨特性能

前面已經(jīng)說過，鋼化玻璃表面擁有很強的壓應力，因此比起普通玻璃各方面的性能更強。主要表現(xiàn)在下面幾點。

1.鋼化玻璃的強度高，抗沖擊性能好，同時還耐彎折，一般來說，一塊優(yōu)質(zhì)的鋼化玻璃強度可達普通玻璃的4—5倍；

2.鋼化玻璃熱穩(wěn)定性較好，可承受巨大的溫差不破損，耐急冷急熱；可以承受可承受200度以上的溫差變化，對防止熱炸裂有明顯的效果；

3.安全性高，由于鋼化玻璃內(nèi)各應力平衡，但一旦這個平衡被打破，那么鋼化玻璃破損后會迅速呈現(xiàn)微小鈍角顆粒，最低程度地降低了對人體的傷害。

不過鋼化玻璃存在一個自爆現(xiàn)象，在未受到外界機械外力作用的情況下，鋼化玻璃可能會發(fā)生自身爆裂，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗，普通鋼化玻璃的自爆率在1~3‰左右。

鋼化玻璃之所以會發(fā)生自爆，根據(jù)研究表明，其中一個重要的原因是玻璃中存在的硫化鎳雜質(zhì)粒子因溫度差發(fā)生相變，NiS一般為結(jié)晶體，室溫下有α相向β相轉(zhuǎn)變的熱力學傾向，并伴有2%~3%的體積膨脹，這種變化可引起鋼化玻璃自爆。

由于鋼化爆裂后會瞬間變成無數(shù)小片的碎塊，因此為安全起見，很多鋼化玻璃都會在玻璃之間夾上PVB中間膜，這種膜具有很強的韌性，通過鋼化玻璃與這種薄膜符合，不僅能進一步提高整塊玻璃的強度，同時還能夠使玻璃在外力作用碎裂時，吸收大量的沖擊能量并使之迅速衰減，同時還能夠保持玻璃的整體形狀，防止人體被碎片砸傷。