含表面缺陷化学增强铝硅酸盐玻璃的冲击破坏与防护

Chemical strengthen aluminosilicate glass is regarded as one of the most successful commercialized modern materials. This material has been widely using in the screen covers of mobile phones, vehicle windows, solar energy collector covers, transparent armors and anti-hurricane windows etc. However, chemical strengthen technique still cannot solve the inherent brittleness of glass materials. Once large flaws are formed on the surface, the chemical strengthen aluminosilicate glass can be damaged very easily under impact loadings, and the failure is even more serious than those common glasses without strengthen. This project aims to study the failure mechanisms of chemical strengthen aluminosilicate glass with surface flaws under impact loading and develop protection techniques. To achieve this, this project will be conducted in three aspects: (1) the formation mechanism of flaws and micro-cracks on the surface of strengthen aluminosilicate glass, (2) the healing mechanism of the surface flaws and micro-cracks by thermal processing, and (3) the impact failure mechanism of the strengthen aluminosilicate glasses with flaws and the effect of thermal healing process. This project will finally develop reliable healing techniques to reduce the surface flaws and improve the anti-impact properties of the chemical strengthen aluminosilicate glasses.

化学增强铝硅酸盐玻璃被认为是科技成果转化最为成功的现代材料之一。该材料已经被广泛应用于手机屏幕、汽车玻璃、太阳能收集器面板、透明装甲及飓风防护窗户等先进工业制造及安全防护领域。但是，化学增强技术并没有从根本上解决玻璃的脆性问题。经过化学增强后的玻璃面板一旦有较大的表面缺陷产生，其在冲击载荷作用下的破碎往往比普通玻璃更为严重和彻底。本项目拟采用理论、实验及数值模拟相结合的方法，对含缺陷化学增强铝硅酸盐玻璃在冲击载荷作用下的破坏机理进行深入的研究，并提出切实有效的防护技术方案。为达到此研究目标, 本项目拟展开如下三个方面的研究：（1）新型化学增强铝硅酸盐玻璃表面缺陷的形成机理和表征技术，（2）如何利用热处理技术来修复和控制缺陷尖端裂纹，（3）缺陷修复前后化学增强玻璃的冲击破坏机理变化。本项目最终将提出有效修复化学增强铝硅酸盐玻璃表面缺陷、提高其抗冲击性的技术方案。

化学增强铝硅酸盐玻璃被认为是科技成果转化最为成功的现代材料之一。该材料已经被广泛应用于手机屏幕、汽车玻璃、太阳能收集器面板、透明装甲及飓风防护窗户等先进工业制造及安全防护领域。但是，化学增强技术并没有从根本上解决玻璃的脆性问题。经过化学增强后的玻璃面板一旦有较大的表面缺陷产生，其在冲击载荷作用下的破碎往往比普通玻璃更为严重和彻底。本项目采用理论、实验及数值模拟相结合的方法，对含缺陷化学增强铝硅酸盐玻璃在冲击载荷作用下的破坏机理进行深入的研究。具体来说，本项目展开了如下三个方面的研究：（a）对化学增强玻璃表面缺陷进行全面的分析和表征；（b）建立化学增强玻璃的分子动力学模型，并对其变形机理进行深入的分析；（c）含初始缺陷化学增强玻璃荷作用下的力学响应及破坏机理分析。.. 本项目实验研究发现，手机屏幕缺陷主要分为两种：点缺陷（压痕）及线缺陷（划痕）。两种缺陷在热处理作用下，有明显的愈合效应，这主要是玻璃材料在高温下的结构弛豫效应导致的。分子动力学仿真结果表明，玻璃材料的微观变形主要是通过无定形原子团键角扭转及协同变形效应造成的。原子团的局部变形的协同效应导致了玻璃材料的破坏。本项目还利用深度学习技术，开发了化学增强铝硅酸盐玻璃表面缺陷的智能识别模型。该模型可精确的捕捉玻璃表面的缺陷类别及其位置，为后续化学增强玻璃表面缺陷的自动检测奠定了基础。.. 本项目共发表论文五篇，其中SCI论文三篇，学术会议两篇。受邀发表评论性文章一篇。作为Journal of Nanomaterial Research特约编辑发表编辑文章一篇。在项目执行期间，项目负责人刘伟东积极参与国内外学术合作交流活动。其中，2017年受邀访问香港理工大学阮海辉教授课题组两周。2019年参加宝钢-澳大利亚学术年会，并获得最佳学术报告奖。