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贝壳结构可将玻璃强度提高200倍

信息来源:glasseasy.com  时间:2014-02-07  浏览次数:1781

     玻璃有很多用途,它透明、坚固、抗化学腐蚀、持久耐用,但最大缺点就是脆而易碎。据物理学家组织网1月28日报道,最近,加拿大麦吉尔大学工程师在贝壳的启发下,开发出一种新型结构玻璃,强度超过一般标准玻璃的200倍。相关论文发表在本周的《自然·通讯》杂志上。

  研究小组深入研究了一些天然材料,如贝壳、骨头、指甲等,虽然它们都是由脆性的矿物质组成,却有着惊人的韧性和恢复能力,秘密就在于这些矿物质“结合”在一起,形成了一种更大、更坚固的结构单位。

  “结合”的意思是,贝壳里包含了大量微小的裂隙线,也叫接口。研究人员解释说,从表面上看这好像削弱了材料的强度和坚固性,但实际上,这是一种精妙的压力偏导器,能将外部压力有效地转向分化。比如某些贝壳的发光内壳层,也叫珍珠母,强度比组成其本身的矿物质要高3000倍。

  “引入削弱性的‘接口’会让材料变得更坚固,似乎与人们的直觉相悖,但在天然材料中,这却是一种被普遍采用的强大策略。”研究人员说。利用这种天然策略,他们用一种3维激光在多聚玻璃中刻下一些微小的裂纹,并让微裂纹布满玻璃内部,结果该玻璃的强度提高了200倍,而且在承受冲击力方面变得更好,受到强力冲击时它会轻微弯曲,而不是立即碎掉。而且这种裂纹玻璃还能被“拉伸”,在被拉断前能伸长约5%,普通玻璃只有0.1%。

  论文合著者、麦吉尔大学力学工程系的弗朗科西斯·巴斯莱特说:“一个用普通玻璃制成的容器掉在地上,很可能会摔得粉碎;但如果用这种仿生玻璃制成容器,掉在地上可能会摔变形而不会完全摔碎。摔几次之后,它可能还能用。”

  贝壳由易碎的矿物质组成,但却坚硬而有韧性。最初在模仿贝壳结构时,研究人员试图造出一种微小的“基本模块”,再通过组装方式来建造一种新材料,就像建造一面微结构墙。“后来我们反其道而行之,从一大块没有微结构的材料开始,然后在其内部刻出接口。”巴斯莱特说。

  在玻璃中引入网状的微小裂痕,会让它变得更坚固,新方法以一种“非常经济”的方式克服了玻璃易碎的缺点。“只需一束激光脉冲,精确地聚焦到事先确定的位置。我们的3维激光雕刻技术还能很容易地升级,用在不同形状的更大、更厚的材料上。”巴斯莱特说。

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