玻璃时代：我们如何使用强化玻璃来保护我们的电子产品

我们与玻璃表面的互动比历史上任何时候都多。有人说我们进入了“玻璃时代”。显示器、触摸屏、支持触摸的玻璃表面和智能镜子正在进入我们的生活。

但玻璃是一种棘手的材料。它可以变得坚固而灵活，但它有时会破裂，通常会对我们使用的设备造成灾难性的影响。它可以防刮，但不能完全防刮；防污，但它仍然会变脏甚至传播感染。

问题 1：玻璃破碎。

通常，问题不是玻璃本身。罪魁祸首是表面缺陷。它们在张力下生长和传播并形成裂缝。没有明显表面缺陷的薄玻璃（约 100 微米厚）可以像塑料薄膜一样卷起来。这表明玻璃本身实际上非常坚固。

问题是，除非防止缺陷扩散并发展成裂纹，否则玻璃表面很容易损坏，从而导致玻璃固有强度的损失。如果玻璃表面受到足够的压缩，日常磨损的最终缺陷永远不会受到拉伸，它们就不会变成裂缝。因此，玻璃的固有强度得以保持。例如，鲁珀特王子水滴的玻璃表面处于高压缩状态。即使用锤子重击，玻璃滴也不会破碎。您可以在互联网上的大量演示视频中看到这一点，这些视频还展示了释放压应力的令人印象深刻的结果。

解决方案？化学强化。

幸运的是，有一种众所周知的方法可以在玻璃表面内产生恰到好处的压应力：化学强化。

从化学上讲，玻璃是一种硅酸盐，或者换句话说，是一种硅酸盐。阴离子是硅酸盐离子，形成硅和氧原子的三维结构。阳离子可以来自元素周期表的前三组。如果只使用钠或钾，玻璃会溶于水。所以通常必须有第二组或第三组的阳离子，如钙、铝或硼。然而，如果存在一些钠或钾，它们会保持松散的结合，可以被替换。这是化学强化玻璃工艺的基础。

可以通过用较大的钾离子代替表面层中的钠离子来增强成分中含有大量钠的玻璃。这是通过将玻璃放入高于 350°C 但低于玻璃软化点的熔融钾盐浴中实现的。钾离子需要更多的空间，在刚性 3-D 硅氧结构中，导致玻璃的高度压缩表面层。以这种方式可以实现远远超过 1 吉帕的压应力，超过玻璃板剩余中心层可能能够承受的压应力。

由于表面处于压缩状态，因此在中心层必须有一个相等但相反的力，该力表示为中心层的拉伸应力。太大的拉伸应力会克服玻璃的分子结构，因此必须获得理想的表面压缩量，才能使硬化玻璃性能良好。这取决于玻璃类型、压缩层的深度和轮廓，以及玻璃的整体厚度。

问题 2：玻璃划痕。

玻璃很硬，但即使是最硬的玻璃，也有一些日常用品会划伤（挖掘、切碎、造成陨石坑或以其他方式损坏其表面）。与钥匙、硬币、钢笔或一些沙粒共用一个口袋或钱包的未受保护的手机就是一个不受欢迎的例子。

化学强化过程有助于通过硬化玻璃表面来防止这种类型的损坏，使其比普通玻璃更耐刮擦，但不能防刮擦。

硬化玻璃的两个特性是设计中的重要考虑因素。首先，压缩层的深度必须超过任何划痕的深度：只要划痕没有穿透压缩层，硬化玻璃的强度就会保持。第二个重要特征是划痕的外观。细小、几乎不可见的划痕比宽且清晰可见的划痕要少得多，这些划痕发生在划痕碎片的边缘。具有内在抗损伤性的玻璃配方倾向于微延展性划伤而不是碎裂，可用于避免后者。

解决方案？化学强化玻璃屏幕保护膜。

为避免划伤，我们可以使用屏幕保护膜保护昂贵的设备。塑料或低成本玻璃膜无法提供与原始玻璃镜片的硬化表面相同的好处，但现在可以使用由薄的化学强化玻璃制成的屏幕保护膜，并提供更好的保护。

这些屏幕保护膜不可能使用与原始硬化镜片完全相同的玻璃材料，因为需要更薄的一层，需要特殊的玻璃配方和硬化工艺才能达到类似的性能。此外，这些屏幕保护器可以设计成在必要时它们会破裂，从而吸收一些冲击能量，并保护它们所连接的设备。在口袋或钱包中与上述物品过于接近或不幸掉到坚韧不拔的人行道上后，这些保护器可以很容易地更换。

问题 3：玻璃变脏并可能传播感染。