让玻璃变韧不是梦——仿贻贝结构透明、高韧复合材料

你是不是在日常生活中都经历过以下两款痛心的经历：眼镜不知道怎么的摔了，镜片很优美地裂开了几瓣；放在桌子边上的手机，一不小心来了一次自由落体运动，屏幕呈现出屏碎后树枝状的裂纹。亲，这边建议您换眼镜和手机哦！

不，倔强的人们怎能就此乖乖掏出自己的钱包！近日，苏黎世联邦理工学院André R. Studart 教授团队在稠密的贻贝结构启发下，以一种简单易行的方法制备得到一款透明的，且拥有比钢化玻璃更强的抗裂纹增长能力的高韧复合材料。相关研究以名为“Transparent and tough bulk composites inspired by nacre”发表在《Nature Communications》中。

该款复合材料制备工艺十分简单，如图1所示。

图1 该款透明高韧玻璃复合材料的制备流程。采用抽滤的方法得到玻璃粉末滤饼，后采用单轴压缩将滤饼压缩至所需厚度。将该滤饼放入600℃烘箱进行烧结，最后利用聚合物材料进行浸没，最后得到玻璃复合材料。

经过抽滤，玻璃粉末片与片间形成稠密的高度有序的结构。继而使用高温烧结的办法，使得玻璃粉末间产生黏连，进而用聚合物填充玻璃间的空隙。这样的结构使得该复合材料拥有良好的韧性，其抵抗裂纹扩展的能力得到很大的提升（图2）。从Ashby图中看出，该研究中的玻璃复合材料比钢化玻璃的抗裂纹增长能力高出三倍，同时保持着与常见硅基玻璃的断裂强度。

图2 几款玻璃材料及本研究中的玻璃复合材料的力学性能Ashby图（其中蓝绿红圈分别代表玻璃含量为35%，45%和59%的玻璃复合材料。实圈和空圈分别代表裂纹萌生临界应力强度因子和裂纹扩展临界应力强度因子）

研究中，采用了与玻璃折射率相近聚合物填充玻璃块中的空隙，一方面大大降低了玻璃与空气因折射率不匹配导致的材料不透明程度，另一方面利用聚合物的塑性变形消耗部分外力，从而达到优良力学性能。该复合材料光学性能如图3所示。

图3 a.研究中所用的聚合物材料、玻璃复合材料、玻璃块的光透过性能。b.玻璃块的照片。c~e.玻璃复合材料的照片，其中玻璃含量分别为35%，59%和45%。

可见，采用仿贻贝稠密结构，将于玻璃折射率匹配的聚合物填充入玻璃块中，制备得到玻璃复合材料，具有高的光学透明性和韧性，未来还可以通过进一步的优化，制备得到光学透明性更好的复合材料。这将有望替代镜片或是手机的玻璃盖板，可以说是，妈妈再也不怕我刷眼镜和手机啦！