钢化玻璃是怎么钢化的？

听鲁珀特之泪过鲁珀特之泪吗？它被称为世界上最坚硬的物质之一，事实上钢化玻璃的制造原理与它类似，当你理解这种鲁珀特之泪背后的原理，那么也就懂了钢化玻璃。

鲁珀特之泪

当你把熔化的玻璃滴入水中时，玻璃会迅速冷凝，形成一个带有长长尾巴的类似于水滴状的玻璃结构。通过这种方式得到的玻璃珠也被称为“鲁珀特之泪”。

这个名字的由来，据传是查理一世国王的侄子鲁珀特在1660年率先将这种奇特的玻璃制品带到英格兰的。当时在朝廷，鲁珀特常用这个小东西戏弄人，于是它被称为鲁珀特之泪。

鲁珀特之泪神奇的一面

这个看似普通的玻璃结构拥有与普通玻璃完全不同的性质，它的头部异常坚硬。一个指甲盖大小的玻璃头，就可以承受20多吨的压力，甚至如果你用子弹轰击它的头部，被轰碎的也是子弹自身。

之所以鲁珀特之泪会拥有这么“变态”的性质，这与它内部的受力有关，其内部的受力还得从它的形成开始说起。

当熔融状的玻璃液滴滴入水中时，液滴的外表面接触水后会迅速冷却固化形成外壳，但其壳内的玻璃还处于高温状态仍然是液态。当内部液态玻璃温度逐渐降低，体积开始收缩，收缩过程会使玻璃表面产生一个巨大的压应力，而内部被外表层拉伸，产生拉应力。

而正是表面这层玻璃形成的压应力，使鲁珀特之泪的头部拥有超高的强度。

我们知道，玻璃的碎裂其实就是裂纹的扩展，但对于鲁伯特之泪而言，即使其表面受外力而产生了微裂纹，但表面巨大的压应力会阻止微裂纹进一步的扩大，因此从宏观上它拥有超高的抵抗外界压力的能力，很难破碎。

但鲁珀特之泪还有一个特别有趣的地方，就是它的尾部特别脆弱，并且一旦尾部被击碎，整个鲁珀特之泪也会瞬间被粉碎。之所以会产生这种现象，是因为整个鲁珀特之泪内部拥有极大的内应力，这个应力可以达到7000倍的大气压。表面的压应力与内部的拉应力形成了一个受力平衡，但这种平衡一旦被打破，则会瞬间失衡而爆裂。

由于鲁珀特之泪拥有一条细长的尾部，在凝固过程中尾部内外部冷却速度接近，压应力产生的强化作用有限，因此比较脆弱。如果尾部一旦破碎，尾部的浅裂纹会沿着轴线深入头部，整个结构内应力失衡，导致整体的爆裂。

钢化玻璃原理类似

事实上钢化玻璃分为两种，一种是物理钢化，一种是化学钢化。

物理钢化

物理原理与上面形成鲁珀特之泪的原理类似，也是经过一个急冷的过程。

正常的玻璃生产是将原料熔融后形成均匀没有气泡的玻璃液，玻璃液下降至一定温度后黏度变大，具有很大的塑性，此时便可以对玻璃进行机械加工，压延形成平板形状。冷却后的玻璃内部还具有一定的应力，因此还要将玻璃在较低温度下进行加热后冷却，进行退火处理，消除内应力，形成一个稳定的结构。

而钢化玻璃则要在上述工艺最后再补上一个强化的步骤，具体过程就是在得到普通玻璃的基础上，再降其加热到650℃到700℃左右的玻璃软化点附近，然后在玻璃两侧同时用高压气流吹气，使之急速冷却。玻璃表面快速收缩并固化，于是玻璃会形成具有巨大压应力的表层，之后冷却的中心部则会产生很高的内部拉应力。这整个变化过程与鲁珀特之泪基本类似，玻璃两侧将形成各自约为1/6玻璃厚的压应力层，上述过程也被称为钢化过程。钢化后的玻璃同样具有很高的强度，强化原理与鲁珀特之泪一样，这里就不在赘述了。

化学钢化

化学钢化则是利用化学方法进行强化，这种方法是将将含碱金属离子的玻璃浸没在熔融碱盐中加热保温一段时间。在浸没过程中，玻璃内足够接近表面的碱金属离子能够与熔盐中碱金属离子发生置换，当熔融碱盐中碱金属离子半径大于玻璃内部碱金属离子半径时，就会在玻璃表面形成挤压效应，从而引入压应力使得玻璃强度增加。

一般来说，由于采用钢化技术成本较高，因此通过化学强化的钢化玻璃一般都用在手机、平板显示器，高铁、飞机挡风玻璃等产品上。

钢化玻璃的独特性能

前面已经说过，钢化玻璃表面拥有很强的压应力，因此比起普通玻璃各方面的性能更强。主要表现在下面几点。

1.钢化玻璃的强度高，抗冲击性能好，同时还耐弯折，一般来说，一块优质的钢化玻璃强度可达普通玻璃的4—5倍；
2.钢化玻璃热稳定性较好，可承受巨大的温差不破损，耐急冷急热；可以承受可承受200度以上的温差变化，对防止热炸裂有明显的效果；
3.安全性高，由于钢化玻璃内各应力平衡，但一旦这个平衡被打破，那么钢化玻璃破损后会迅速呈现微小钝角颗粒，最低程度地降低了对人体的伤害。

不过钢化玻璃存在一个自爆现象，在未受到外界机械外力作用的情况下，钢化玻璃可能会发生自身爆裂，根据行业经验，普通钢化玻璃的自爆率在1~3‰左右。

钢化玻璃之所以会发生自爆，根据研究表明，其中一个重要的原因是玻璃中存在的硫化镍杂质粒子因温度差发生相变，NiS一般为结晶体，室温下有α相向β相转变的热力学倾向，并伴有2%~3%的体积膨胀，这种变化可引起钢化玻璃自爆。

由于钢化爆裂后会瞬间变成无数小片的碎块，因此为安全起见，很多钢化玻璃都会在玻璃之间夹上PVB中间膜，这种膜具有很强的韧性，通过钢化玻璃与这种薄膜符合，不仅能进一步提高整块玻璃的强度，同时还能够使玻璃在外力作用碎裂时，吸收大量的冲击能量并使之迅速衰减，同时还能够保持玻璃的整体形状，防止人体被碎片砸伤。