小张家的钢化玻璃，是被他帅炸的吗？

前几天的微博热搜，被一位名叫小张的朋友占据了，并一直处于“沸”的状态。
来源：微博热榜
小张是谁？究竟发生了什么事？能引发全网关注。
原来是有这样一则新闻新闻：宁波小伙小张近日在洗澡时，租住公寓的浴室钢化玻璃门突然破裂，导致小张手部受伤。因为无法与物业就赔偿方案达成一致，他联系了媒体曝光此事。

图片来自：1818黄金眼
一个普通的民事纠纷，没想到却演变成了全网第一的热点事件，甚至占据热搜头名几乎一整天，评论里都在夸小张帅。 到了下午，话题“小张这么帅怎么可以受伤”都冲上了热搜前五。
小张帅不帅我们就不做过多评价了，倒是钢化玻璃值得好好说道说道。
钢化玻璃与普通玻璃相比，为什么有更高强度？又为什么会突然发生破碎？钢化玻璃和防弹玻璃是一回事吗？钢化玻璃又有哪些奇特的性质？
借着小张事件的东风，我等吃瓜群众在欣赏小张俊美的容颜之外，也该顺便学点与玻璃有关的生活常识。

Part. 1

更高强度的钢化玻璃是如何生产出来的？
本质上来说，钢化玻璃和普通玻璃的材质是类似的，没有特殊之处。 让钢化玻璃产生强化效应的是它独特的制作工艺。
正常的平板玻璃的制作过程是：原料经过高温熔融，形成均匀无气泡的玻璃液；当玻璃液冷却到可以进行机械加工的温度范围内时，对其进行压延，形成平板形态；冷却下来的玻璃内部应力极大，需要再进行退火，即在一个较低的温度下再加热一段时间并缓慢冷却，以此降低内部应力，稳定内部结构。 玻璃工厂照片 来源：维基百科 而钢化玻璃则要在上述工艺最后再补上一个强化的步骤，具体来说就是，在 得到确定尺寸的普通玻璃后，将其加热到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。 此时玻璃表面将率先降温收缩，在两侧表层内形成具有很高内部压应力的结构。之后冷却的中心部则将随之具有很高的内部拉应力。最终，玻璃两侧将形成各自约为1/6玻璃厚的压应力层。
那么为什么是两侧受压，中心受拉，而并非反过来呢？ 这主要是因为玻璃两侧遇冷收缩时，任何一个身处表层的位置都将受到来自四面八方的挤压，因此表层中会形成压应力层；而中心处因为冷却较慢，来不及收缩，因此形成拉应力层。
我们可以把应力理解为是材料内部具有的“内在”力，较高的应力意味着材料内部存储着额外的能量，因此会形成“不安分”的因素。例如夏天西瓜丰收时，有些熟透的西瓜稍微遇到一点外力就会自己爆开，这就是西瓜内部存在应力的表现。
那为什么应力反而是玻璃得以强化的关键呢？
玻璃这种材料，有一个非常显著的性质，那就是怕拉不怕压。 对于外界的压力负荷有很强的抵抗作用，但承受拉力负荷的能力却要低得多。 假如我们把一片平板玻璃用四周的框架支起来，就像玻璃屋顶或者玻璃廊桥的桥面一样。我们会发现玻璃受到荷重影响时，上方仍然处在受压的状态，但下方其实是受拉的状态。当载荷逐渐增加，玻璃挠曲程度加深，下方受到的拉应力也越来越大。最后，玻璃的下方，即未受载荷的那一面将先发生破坏。
钢化玻璃双侧表面的压应力区域很好地抵消了载荷影响，玻璃弱侧（不受载荷的一侧）的拉应力不会增加到普通玻璃相同的程度，也就没有那么容易发生断裂。一般来说，经过强化处理的玻璃强度可以提高到原来的3到5倍以上。 玻璃受压挠曲示意图 来源：参考文献3

Part. 2

钢化玻璃真的会爆炸吗？
钢化玻璃虽然强度高，但是它绝对不是坚不可摧的。而且钢化玻璃一旦发生破坏，就会迅速崩解，碎成渣渣。我们上面已经说过， 钢化玻璃其实是一种内部存在着很大应力的材料，正常情况下压应力和拉应力得以平衡，玻璃自然也能维持完好的外在状态。 不过这种平衡一旦被打破，巨大的内应力就将瞬间释放，从最先发生破坏的薄弱点传递到整块玻璃，使其迅速碎裂。
最先发生的薄弱点有很多种，比如玻璃安装、移动过程中的磕碰会让边缘乃至表面的压应力层受损，形成裂口。如果裂口足够深，抵达或者接近拉应力层，内部平衡的破坏会让钢化玻璃马上破碎。因此钢化玻璃的移动和施工过程要非常小心，避免任何瑕疵的发生。因为即便是非常浅的表面裂口，也会成为未来发生断裂的薄弱环节。
还有的薄弱点来自内部 ，比如玻璃制造过程中内部存在的杂质颗粒等。日常生活中，钢化玻璃在没有受到任何外力作用的情况下也可能发生崩解，这种情形应该就是内部杂质惹的祸。玻璃的制作过程中，当然包含原料净化一类工艺，但无论如何还是会有残留杂质的存在。玻璃最常见的杂质是硫化镍，它以颗粒物的形式聚集在玻璃内部。一旦受到外力（甚至根本没受到外力），硫化镍颗粒周围的区域常常会率先发生破碎，整块玻璃也将随之崩解。
为了尽量避免这种情形的发生，很多厂家在钢化玻璃的制作过程中，会对每一块玻璃都进行热浸（heat soak）检测。 具体方法就是，将玻璃加热到300℃左右再冷却下来，存在硫化镍的玻璃基本上经不起这样的折腾，都会自动崩解，以此来保证出厂产品尽可能不含有内部杂质。
不过，钢化玻璃的崩解问题很难从原理上百分之百避免，除了尽可能提升产品质量外，还可以采用一些保护措施，比如，给玻璃贴上透明有机物贴膜，即便玻璃崩解，碎渣也不会四散飞溅。
在中国，建筑物外墙的钢化玻璃如果离地3米以上，就要求必须采用贴膜工艺。不过，话说回来，钢化玻璃崩解虽然看着吓人，但是远比普通玻璃破裂安全。 钢化玻璃的内部构造决定了它崩解的过程中不会产生大块的锐利碎片，而是形成缺乏尖锐棱角的小块。
而且，所谓的崩解也并非是像爆炸一样四散飞溅，钢化玻璃内部应力产生的能量还远远无法让碎片们四散飞起，更多的是原地落下。本次小张受伤恐怕是因为钢化玻璃崩解瞬间，他和玻璃的距离实在太近，祝愿他能尽快康复。 钢化玻璃破坏原理 来源：参考文献3

Part.3

钢化玻璃和防弹玻璃是不是一回事？
很多人都在电视上看过用大锤击打钢化玻璃的视频，它们在重锤之下仍然完好无损。但钢化玻璃的强度级别还是不足以抵挡子弹，子弹具有巨大的动能和极小的作用面积，因此击碎钢化玻璃不是难事。
真正的防弹玻璃主要有两种，一种是透明的高分子聚合物材料，聚碳酸酯、PVB树脂、聚氨酯等，实际制造过程中一般采用多层结构而非单一厚层。
另外一种是在玻璃中间夹杂透明有机物层，一般同样采用多层结构，这样玻璃在着弹后虽然会破碎，但有机聚合物层仍然可以让碎片牢固地结合在一起。
防弹玻璃并非依靠自身的坚固性将子弹弹开，而是通过玻璃的破碎和树脂层的捕集让子弹动能消散，从而滞留在树脂层上。 为了实现足够的防弹效果，防弹玻璃的厚度也日益增大，例如防弹头盔的透明面罩或者防弹盾牌的观察窗，厚度就达到30毫米以上。不过日常生活中，紫外线会让聚合物层的性质发生改变，影响阻弹效果，因此防弹玻璃寿命大约都在3到6年左右。
还有一种玻璃虽然没有防弹玻璃那么高的耐冲击规格，但同样具有吸能、防崩解等特点，这就是所谓的防盗玻璃。防盗玻璃受到锤子一类锐器击打，也不会发生整体的溃破，而且短时间内锐器也无法在其上突破出足够人进入的孔洞，可以说是防弹玻璃的民用版。 钢化玻璃（左）和防弹玻璃（右） 来源：维基百科

Part.4

与钢化玻璃有关的小知识
钢化玻璃无法进行尺寸加工，必须在出厂前确定好尺寸。
钢化玻璃虽然强度更高，但耐热温度和耐热冲击性能并不比普通玻璃更高，遇到急剧变化的温度冲击时很可能会崩解。
钢化玻璃的表面硬度其实比普通玻璃还要低，因此相比而言更不耐磨。
钢化玻璃的刚性（抗弯曲、挠曲的能力）并不比普通玻璃更强。
钢化玻璃的表面平坦度比普通玻璃差，很多建筑外墙映出的景色会变形就是因为这个道理。
利用偏光镜去观察钢化玻璃时，如果光线的反射、观察角度以及玻璃背面颜色满足一定条件时，会看到干涉条纹，这是其内部存在应力所致。
钢化玻璃可能会发生崩解，但这种危险的事故本应该被避免，因此需要厂家在生产以及后续的安装过程中多加注意，毕竟这可关系到每个人的安全，也希望不会再有因为钢化玻璃而受伤的案例出现。 参考文献： 1.防弾ガラス https://www.northglass.co.jp/product/glass/ 2. クルマの防弾ガラスはどれだけ頑丈なのか？ https://car-me.jp/articles/11078 3.板ガラスの強度と強化ガラス https://www.asahiglassplaza.net/knowledge/rg_knowledge/vol24/
出品：科普中国
制作：张昊 （大阪大学）
监制：中国科学院计算机网络信息中心 本文来源于”中国科普博览“公众号（kepubolan）

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