智慧型手機中最堅固的玻璃材質

生活科學趣談

iPhone 11 Pro極限測試 – 聯合新聞網發布於2019年9月24日

這句「iPhone 11 具備智慧手機中最堅固的玻璃材質」讓我想起多年前的一則9H鋼化玻璃貼廣告,不過這個9H不是莫氏硬度,而是鉛筆硬度

提到強化玻璃,比較廣為人知的是採用物理強化的 Tempered Glass,這是將一般的浮法玻璃(平板玻璃)再透過熱處理工藝所製成。先將平板玻璃切割至所需尺寸,然後放置在滾輪上通過熔爐來加熱。以一般的鈉鈣玻璃(soda-lime glass)而言,加熱使其溫度高於它的 Tg 玻璃轉化溫度 564 °C 而低於液相溫度TLLiquidus temperature)1000 °C,等到整體溫度達到均勻的680 °C後,將玻璃透過冷空氣來快速冷卻其表面,藉由冷卻收縮來產生殘留壓縮應力的表面層。由於玻璃的破碎機制是當外力撞擊時,下表面受到拉伸的張應力作用而開裂,而強化玻璃其下表面原本是壓縮狀態,因此就得先克服壓縮應力之後才能轉而產生張應力的拉伸狀態,於是就能增加玻璃的強度

TemperedGlass

影片34秒敲側邊會造成爆裂的機制與 魯珀特之淚 相同

回來看這句「智慧型手機中最堅固的玻璃材質」,這是使用康寧公司生產的第6代大猩猩玻璃。根據Toluna全球消費者調查數據表明,人們平均每年會不小心掉落7次手機,其中半數以上是從1米或以下高度跌落的

第六代大猩猩玻璃最大的特色,就是其平均能承受15次從1米的高度掉落到粗糙的表面而不會產生刮痕或破裂

影片5’15” Adam Savage 提及的「ion exchange process」,這是將玻璃置於熔融硝酸鉀鹽浴中,透過玻璃材料與溶液間的鈉鉀離子交換。當離子半徑較大的 K+(1.33Å)取代玻璃中半徑較小的 Na+(0.95Å)位置時,由於較大的K+被擠壓到一個較小空間中,當其試圖保持原有的離子半徑就會撐大玻璃的體積。但由於玻璃的體積已經不會改變了,所以K+就被壓縮來適應此容積,這種被擠壓的趨勢於是形成表層玻璃的壓縮應力。因此,即使施加一個會裂開一般玻璃表面的外力,壓縮應力也會將其抵消並阻止裂紋惡化,玻璃也就更難破裂了。這種玻璃表面形成的壓縮應力層,就如同前面所提的熱處理工藝之效果,只不過這是使用化學方法,因此稱為化學強化玻璃 Chemically strengthened glass

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根據製造廠商提供的資料,第5代的抗壓強度為850MPa,第6代則是 ≥ 900 MPa