用料

弱化玻璃使其更坚固

如何使玻璃更坚固?通过在此处蚀刻微裂纹,可以消散机械应力的能量。

肖恩·拜利

我们再也无法指望大自然带来的技术创新(请参见 这里 )。最新的例子是牙釉质和珍珠母,这激发了蒙特利尔麦吉尔大学的弗朗索瓦·巴尔特拉特(FrançoisBarthelat)及其团队的灵感,开发出一种技术来增强玻璃或陶瓷等材料的抵抗力。违反直觉的策略包括在玻璃内创建复杂的微裂纹网络以使其更坚固。

贝类生产的牙釉质和贝类含有95%的矿物质,因此应易碎且易碎。然而,它们承受着反复的冲击,如果受到破坏,则裂缝的蔓延将受到限制。正是它们的微观结构使这些材料具有了这种特性。搪瓷由垂直于表面的长棒组成,彼此相邻且相互嵌套,并通过聚合物连接。在深度上,这些词干是交织在一起的。因此,在搪瓷中产生裂纹的机械应力会使其在表面上传播时迅速耗散其能量,因为裂纹必须在嵌套的棒之间传递。同样在深度上,由于茎的缠结。珍珠母是 由相互连接并分布在几层上的小型扁平元件组成.

从这些观察得出的结论是,整体材料的抗性要比包含更多易碎界面的材料抗性强,这些界面将裂纹引导至阻塞它们的构型。这些界面的布置取决于材料的强度。 F. Barthelat和他的同事将这一原理应用于玻璃。他们使用三维激光微雕刻技术在玻璃上产生微缺陷。在这种技术中,雕刻不是在表面上完成,而是在聚焦激光能量的深度上完成。玻璃在焦点处融化并膨胀-仅在此处-产生微裂纹,其尺寸可根据激光的功率进行调节。

在第一个实验中,研究人员在厚度为1厘米的玻璃载玻片的边缘上创建了一个大裂纹,并研究了当在裂纹的唇部上施加力使其扩大时,在主裂纹尖端蚀刻的微裂纹的影响。 。研究人员表明,微裂纹网络会在玻璃内部产生弱化的界面. 然后,裂纹从微裂纹扩展到微裂纹。

弗朗索瓦·巴尔特拉特(FrançoisBarthelat)和他的同事的想法是创建一个弱化的界面来引导网络中的裂缝,该裂缝通过增加摩擦来耗散其机械能。该界面是由微裂纹形成的,这些裂纹绘制的图案类似于拼图块的紧固件 (见对面)。结果是,由机械应力产生的裂纹跟随了微裂纹。它们的边缘然后略微分开,这通过其形状产生了摩擦力,从而消耗了机械能。因此,材料的电阻增加。另外,通过在反对分离的壁之间形成细丝,将聚氨酯引入微裂纹,进一步增加了抗裂纹扩展的能力。

结果是玻璃的抵抗力是普通玻璃的200倍!

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