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全世界最硬的玻璃，被中国科学家造出来了说起最硬的物质，大家脑海里会浮现出什么呢？大概率会是象征着爱情与忠贞，还非常昂贵的钻石吧。规律性排列的晶体结构赋予了钻石坚硬的品质，但它在硬物撞击下也容易发生碎裂。而看似没有规律的玻璃态则在小范围内具有独特的秩序性。利用可调变的秩序性，中国科学家创造出了最硬的玻璃，它甚至可以划伤钻石，还不易碎裂。　　在150千米深的地球内部，坚硬的岩石早已在高温高压下部分熔化。这里的温度超过1000℃，压力更是相当于地表的5万倍。在犹如炼炉的环境中，自然界中最美妙的转变正在进行。经过数亿年的时间，平平无奇的六边形石墨晶体逐渐转变成了晶莹剔透的天然金刚石（钻石）——这不仅是无数人幸福婚姻的见证，也是自然界最坚硬的物质。　　金刚石极其坚硬的原因在于其分子结构。在金刚石中，每个碳原子的杂化方式都是sp3杂化。也就是说，分布在这4个杂化轨道上的价电子，会分别与另外4个碳原子的价电子结合形成共价键，构成正四面体。正是这样牢固而紧密的立体结构，赋予了金刚石极高的硬度。同时，金刚石中所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子，这种特殊的晶体结构使得金刚石不具导电性。　　虽然金刚石的硬度在自然界可谓无敌，但如果你将女朋友的钻戒砸向地面，却有可能目睹钻石的裂缝，甚至是粉身碎骨。这是因为金刚石虽硬却脆，在遇到硬物撞击时容易碎裂。事实上，对于超硬晶体材料来说，硬度和韧性往往不可兼得。这主要归根于金刚石的原子晶体结构：金刚石晶体由周期性重复排列的结构单元构成，正是这种有序性使得晶体不同朝向的结构各不相同，晶体的硬度也随着晶向的变化而呈现各向异性，那些“较软”的晶面就成为了金刚石的“软肋”。　　在材料领域，一个与“晶体”相对应的概念是“玻璃”。与有序的晶体相反，玻璃态，也就是非晶体材料具有相对无序的结构，只在几个原子的小区域内具有短程有序性。这种具有一定秩序的混乱结构会呈现什么意想不到的性能？　　最近，在一项发表于《国家科学评论》（NSR）杂志的研究中，来自燕山大学的研究团队就研制出了一种全新的玻璃材料——不仅硬度超过了金刚石，并且具备金刚石不具备的韧性，以及半导体特性。　　Part.1　　最强、最硬的玻璃　　领导这项研究的田永君院士一直深耕于超硬材料领域，例如早在2013年，他就带领团队合成了一种硬度超过金刚石的纳米孪晶立方氮化硼，这项突破也登上了《自然》期刊。而在最新的研究中，田永君团队使用的原材料是富勒烯（C60）。富勒烯的碳原子都是sp2杂化，结构规整，具有高度的对称性。因此，在800℃下，5GPa的压力就足以破坏富勒烯高度对称的结构。　　研究团队正是利用了这一性质，他们希望在合适的高温高压条件下瓦解富勒烯的晶体结构，使原本结构中的sp2杂化碳更大程度地向sp3杂化转变。将其解构的目的就是要再重建，以得到结构无序、不“完美”的玻璃态。为此，他们选择在25GPa的高压条件下不断升高温度。随着温度的升高，规整的晶体结构逐步瓦解，在800℃时就可以由晶体结构完全转变为玻璃态。　　此后，伴随着温度的进一步升高，意想不到的变化出现了。在1000℃时，材料在X射线衍射光谱中不再显现出类似于石墨的结构特征峰，而是出现了对应于金刚石晶面的宽衍射峰。这一点完全不同于以往合成的玻璃态碳材料——此前报道的玻璃态碳材料都会呈现与石墨结构相似的衍射峰，也就是说，碳原子的主要杂化方式依然是sp2。而在最新研究中，富勒烯sp2杂化碳逐渐转变为sp3杂化，并在1000℃时，sp3杂化的正四面体结构后来者居上，占据了主导的位置。　　对于研究团队来说，1000℃只是一个开端。当他们持续升高反应温度，碳原子中sp3杂化的比例越来越高——电子能量损失谱证实，在1000℃、1100℃和1200℃时，sp3杂化程度分别约为69%、77%和94%。sp3杂化程度越高，材料的密度也越大。在高分辨率透射电镜下，平均“粒径”也越来越小，分布趋于均匀。对于玻璃态来说，这衡量了整体混乱结构中的秩序性，意味着逐渐降低的混乱度与随之升高的秩序性。研究团队分别将1000℃、1100℃和1200℃下的新型“玻璃”命名为AM-I、AM-II和AM-III。（AM即amorphous，表示玻璃态。）　　其中，1200℃时形成的sp3杂化程度最高、最为致密的AM-III格外引人关注。对AM-III的力学性质测定显示，其维氏硬度（HV）高达~113GPa，可以刻划维氏硬度为103GPa的单晶金刚石晶面。除了超高的硬度之外，AM-III的强度也可以与金刚石相媲美：这种材料的表面能承受高达~70GPa的压力而不会出现裂痕。这是迄今为止发现的最硬、最强的玻璃态的碳。　　此外，玻璃态AM-III的高硬度在材料内部的各个方向都基本一致，即具有各向同性。相比于因各向异性而存在“软肋”的金刚石，AM-III作为一种新型玻璃，完美解决了超硬晶体韧性不足的问题。　　Part.2　　应用前景　　除了超硬、超强的力学性质外，AM-III也是半导体，它的带隙（导带的最低点与价带的最高点的能量之差）范围为1.5~2.2eV，与最常用的半导体非晶硅薄膜的带隙相当。因此，这种结合了优越的力学性能与半导体性能的新型“玻璃”有望在光伏（将太阳能转化为电能）领域大展身手。　　这不是该团队第一次在超硬材料领域进行这样创新的尝试。现在，新的实验揭示了无序玻璃可以媲美有序晶体的可能性。一步一步解构晶体结构，再形成新的化学键，最终得到结构无序、不完美的玻璃态。这些本质上具有独特秩序的混乱结构，却能带来惊喜，甚至有可能超越有序的完美晶体。它让科学家看到利用混乱中的秩序，可以将“玻璃”的特性发挥到极致。　　来源：环球科学【来源：法规科】声明：转载此文是出于传递更多信息之目的。若有来源标注错误或侵犯了您的合法权益，请作者持权属证明与本网联系，我们将及时更正、删除，谢谢

物理钢化玻璃的主要设备钢化炉物理钢化的主要设备是钢化炉，它由上片、加热、成型、淬冷和卸片等部分组成，按玻璃的输送方式又分为水平钢化炉和垂直钢化炉两种。 1，垂直钢化法垂直钢化法采用夹钳吊挂平板玻璃加热和吹风冷却进行淬火，是最早使用的一种方法。垂直钢化生产线主要由加热炉、压弯装置和钢化风栅三部分组成。原片经过切割、磨边、钻孔和洗涤干燥等预处理，用耐热钢夹钳夹住垂直送入电加热炉中进行加热。当玻璃加热到需要的温度后，快速移出至风栅中淬冷.在钢化风栅中空气均匀、迅速地喷吹玻璃的两个表面，使玻璃急剧冷却，在玻璃冷却的过程中，玻璃的内层和表层之间产生很大的温度梯度，因而在玻璃表面层产生压应力，内层产生拉应力。淬冷后的玻璃从风栅中移出并除去夹具，经过检验后包装入库。使用垂直钢化法生产曲面钢化玻璃，有一步法和两步法两种。两步法是在钢化加热炉和钢化风栅之间，设立一个有前后模具组成的压弯装置。当玻璃在加热炉内加热到接近软化温度时迅速移入压弯装置，将玻璃压弯成所需要的曲面，然后经过淬火冷却获得曲面钢化玻璃产品。一步法是：钢化风栅和压弯装置用对接的方法结合成一体，玻璃的弯曲和淬冷在同一工位完成。垂直钢化法的优点是投资少、成本低廉、操作简洁，仍是一种可行的钢化方法。其缺点是生产效率低，产品存在着不可避免的夹痕缺陷，玻璃加热时出现拉长、弯曲或翘曲;吊挂上片、卸片由人工操作，劳动强度大，费工费时，不易实现生产自动化，产垃低，并且受到钳夹持力的限制，玻璃规格不能过大。 2，水平钢化法水平钢化法是玻璃水平方式通过加热炉加热和风栅淬冷。水平生产钢化玻璃的设备有水平辊道钢化炉和气垫钢化炉两种。水平辊道钢化法是目前世界上使用最普遍的一种玻璃淬火方式，通过水平辊道输送玻璃，进行加热和淬冷，既可以生产建筑用大规格平钢化玻璃，也可以生产弯钢化玻璃。 (1)，水平往复摆动式平钢化玻璃生产线水平辊道平钢化玻璃生产线可分为连续式和往复摆动式，玻璃的输送、加热、淬冷都在水平辊道输送机上进行，整条生产线的辊道分为四段，各段辗道的材料和运动方式不同，为了缩短加热炉及冷却装置的长度，玻璃在加热炉和冷却装置内是往复运动，使玻璃在长度较短的设备内获得较长的加热及冷却时间。此种生产线不配置成型设备，所生产的是平面钢化玻璃。 (2)水平连续式平钢化玻璃生产线在平钢化炉的基础上加长炉体，玻璃不用在加热炉内通过往复运动来完成加热，直接通过炉体加热即可加热到所需温度，可以实现连续钢化生产，生产效率高，适用于厚度在(3-8mm) 的大批量的建筑幕墙、太阳能封装电池玻璃、工业仪表、家电、家具等钢化玻璃的生产。 (3)水平辊道平弯钢化玻璃生产线水平辊道平弯(单弯)钢化玻璃生产线既可以生产弯钢化玻璃，也可以生产平钢化玻璃。玻璃的输送、加热都在水平辊道上进行，玻璃加热至设定温度后，从加热炉快速输送到成型淬冷装置，此装置可在程序控制下自动构成设定曲率的弧面，加热至软化状态的玻璃在此弧面上主要是在自身重力作用下弯曲成型，然后由自动构成相同曲率的弧形风栅迅速对玻璃进行淬冷。淬冷后弯玻璃再输送到后冷却装置，在该处冷却到适合入工卸片的温度，这样就生产出单面弯曲钢化玻璃。 (4)水平支持法连续式双弯钢化玻璃生产线水平支持法连续式双弯钢化玻璃生产线是另一种新型钢化玻璃生产线，其生产过程是将玻璃片水平支持在环模上，玻璃加热至软化温度时，由于重力作用下垂至环模而成型，再经淬冷、冷却而制成双曲面弯钢化玻璃。 (5)气垫钢化法气垫钢化法是指玻璃板由加热气体或燃烧产物构成的气垫支撑，在加热炉内加与任何固体物件接触，不增加新的缺陷，生产出来的钢化玻璃具有最佳的质量。气垫钢化法也能生产单曲面的弯钢化玻璃，并且易于实现生产过程的机械化和自动化。但是气垫钢化设备投资较大，生产的玻璃规格、形状尺寸受到一定的限制，运行和操作技术要求严格，只能生产形状简单、对称型的曲面钢化玻璃。

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