玻璃沾点高分子，性能要上天？

玻璃由于其优异的光学性质、硬度和耐久性，被广泛应用于我们的生活中。但是，固有的脆性和差的抗冲击性能使其失去了在承重方面的应用。虽然层压、回火等手段虽然能改善抗冲击性能，但是始终不能抑制其脆性。

在大自然的发展演变中，出现了很多具有抗冲击性能的材料，其中就包括存在于贝壳中的珍珠层，它可以保护软体动物的软体部分免受捕食者和恶劣环境的威胁。珍珠层具有一个复杂的分层结构，其中扁平多边形“砖”片的碳酸钙（文石）嵌入于有机蛋白质“砂浆”中，并以柱或片排列，具有改善断裂韧性和延展性的优点。

普通玻璃

仿珍珠玻璃

近日，加拿大麦吉尔大学的F. Barthelat教授团队提出了一种仿珍珠层的夹层玻璃，它模仿了软体动物贝壳珍珠层的三维“砖-实体”排列，由周期性的三维结构和透明热塑性弹性体制成，利用片剂滑动克服了玻璃固有的脆性。通过聚焦脉冲激光束将片剂的轮廓雕刻在硅酸盐玻璃板上，利用乙烯-乙酸乙烯酯（EVA）作为界面材料，将雕刻的玻璃板层压在一起，使片剂呈现类似于天然珍珠层的三维交错排列。这种珍珠质玻璃的抗冲击性能比夹层玻璃和钢化玻璃高两到三倍，且能保持良好的强度和刚度。该设计着重解决了玻璃材料的脆性问题，为玻璃在新的、更具挑战性的应用中提供基础。

Kyriaki Corinna Datsiou在Science杂志撰写评述称：使用这种接近天然珍珠质的方法可以改善玻璃的刚度、强度和韧性。然而，与传统夹层玻璃相关的常见问题依然存在，例如在其使用寿命期间由环境条件驱动的分层，边缘稳定性和聚合物降解等问题。解读这些影响将提高对如何有效生产抗冲击，透明和耐用的生物玻璃的理解。

图文速递

图1. 仿珍珠玻璃板的设计和制备

（A）天然珍珠母由95%（体积）的矿物片制成，用较软的有机砂浆黏合。珍珠层可以通过微片彼此滑动并在大体积上滑动而变形，阻止裂缝并吸收冲击能量。（B）珍珠质玻璃面板的制造方案（比例尺：100 mm）。（C）片剂几何形状和重叠结构的细节（比例尺：500 mm）。（D）与普通层压板相比，珍珠质玻璃板的透光率。（插图）典型雕刻面板的光学清晰度（比例尺：10mm）。

图2. 小珍珠般玻璃板的穿孔

（A）实验装置：以准静态速率用加载鼻刺破简单支撑的玻璃面板。（B）纯硅酸盐玻璃和纯EVA板，普通层压板和具有[5A]和[1P4A]层配置的珍珠层板的穿透力-位移曲线。（C）在穿刺之前和穿刺期间（位移=3 mm）的平面层压和珍珠层状面板。选择照明和背景以突出雕刻图案。比例尺：5 mm。（D和E）性能图。（D）不同材料和设计的最大力（强度）与刚度和（E）穿刺能量与最大力的关系。

图3. 显微CT扫描和分析普通层压板和珍珠层样板。

（A）穿刺样品的三维显微断层图（对于普通夹层玻璃，微粒阵列刻在层的表面以跟踪它们的相对滑动）。（B）最下层夹层滑动距离的映射，在类似珍珠层的设计中显示出更大且更分散的滑动。（C）面板中最下层夹层中的SMI图，也显示了滑动矢量。（D）示意图显示了对应SMI三个值的三种滑动机制。片剂滑动通常在基于六角形片剂的面板中，呈现双向和各项同性。

图4. 大型珍珠质面板和其他透明材料的冲击试验。

（A）实验装置：以2.34 m/s的速度冲击简单支撑的面板（50 mm×50 mm×3 mm）。（B）针对六种设计和材料的质量密度性能图进行穿刺时的能量图（均具有相同的整体尺寸）。（C）来自高速摄影的相应快照。比例尺：10 mm。

原文链接：

https://science.sciencemag.org/content/364/6447/1260

评述链接：

https://science.sciencemag.org/content/364/6447/1232

名称：材料科学前沿

ID：MaterialFrontiers

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