钢化玻璃自爆的真正原因找到了!

 辰逸     

宁波小伙小张在洗澡时,浴室的钢化玻璃门突然破裂,导致小张手部受伤,该事件迅速演变成了全网热搜的话题。借着小张受伤事件,我们来好好地说说钢化玻璃,顺便学点与玻璃有关的生活常识。


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,让钢化玻璃产生强化效应的是它独特的制作工艺。


普通玻璃的制作过程是: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(物体内部产生的以抵抗外因作用的内力),稳定内部结构。


而钢化玻璃则要在上述工艺最后再补上一个强化的步骤,具体来说就是,在制成普通玻璃后,将其加热到650℃到700℃玻璃软化温度点,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具有很高的内部拉应力。


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,所有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。

钢化玻璃自爆的真正原因找到了!

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,它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四周用框架支起来,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,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)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。


钢化玻璃真的会自己爆炸吗


在正常情况下,钢化玻璃内部的压应力和拉应力得以平衡,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。


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,避免任何瑕疵的产生。


还有的薄弱点来自内部,比如玻璃制造过程中存在的杂质颗粒等。在没有受到任何外力作用的情况下,钢化玻璃也可能发生崩解,这种情形应该就是内部杂质惹的祸。制作玻璃的原料中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就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检测,以此来保证出厂产品尽可能不含有内部杂质。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。


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。


钢化玻璃和防弹玻璃是不是一回事


那么钢化玻璃和防弹玻璃是一回事吗?其实并不是。


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,因此击碎钢化玻璃不是难事。


真正的防弹玻璃主要有两种,一种由透明的高分子聚合物材料制成,如聚碳酸酯、PVB树脂、聚氨酯等,在实际制造过程中一般采用多层结构而非单层。


另外一种是在玻璃中间夹杂透明有机物层,这样玻璃在中弹后虽然会破碎,但产生的碎片并不会四下飞溅,而是在有机聚合物层的作用下,仍旧结合在一起。


总结来说,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,玻璃厚度能达到30毫米以上。不过,紫外线会让聚合物层的性质发生改变,影响阻弹效果,因此防弹玻璃的寿命大约都在3到6年。


钢化玻璃自爆实验:


01、高温会让玻璃自爆吗?


一到高温天,似乎钢化玻璃自爆的新闻就会多起来,那么高温真的会让玻璃自爆吗?


三伏天,太阳直晒玻璃最高温度在65℃左右。


我们实验用的是经过检验合格的钢化玻璃,长1.5米,宽1米,厚10毫米,通常写字楼的幕墙用的也都是这类厚度的钢化玻璃。


大史先用锤子猛敲了几下钢化玻璃,玻璃完好无损。


接下来开始用喷枪烤玻璃。


温度上升到180℃时虽然看不到火焰的情况,但是一阵阵的热浪冲着大史扑过去。


钢化玻璃在大史的喷枪下面已经烤了10多分钟,玻璃温度也到了300℃,但是玻璃一点问题都没有。


热成像仪记录到的最高温度有301℃,已经完全超过了平时太阳照射的温度。


这也就说明,太阳暴晒不会让钢化玻璃自爆。


02、冷热交替会让玻璃自爆吗?


对于钢化玻璃自爆,还有一种说法是室外艳阳高照,室内开着空调凉风嗖嗖,一冷一热交替所导致。


大史继续烤这块玻璃,再用凉水直接往上泼。300℃高温状态下,钢化玻璃急遇凉水只是冒了一点烟,也没有发生爆裂。


专业人士告诉好奇君:钢化玻璃要经过钢化炉高温,达到620到640℃的高温煅烧之后出来再进行急剧降冷,经过特殊的工艺处理,一般的温度是不会导致钢化玻璃自爆的。


03、杂质和气泡才是钢化玻璃自爆的根本原因


钢化玻璃自爆的根本原因取决于原片,因为原片的本身含有杂质——硫化镍,杂质和气泡越多,自爆率就越高。


好奇君用价格比较便宜,有明显杂质的低品质钢化玻璃继续实验。


钢化玻璃温度升高了200℃,用凉水泼向玻璃。

钢化玻璃自爆的真正原因找到了!

当凉水沾到玻璃,不到2秒的时间,整块玻璃破裂,瘫塌了一地。


这是因为,这块玻璃原材料里面有硫化物结石,经过实验冷热膨胀以后,硫化物结石引起玻璃产生微裂纹,从而导致玻璃自爆。


冷热不均是钢化玻璃自爆的诱因,根本原因还是玻璃品质不达标。玻璃原片有杂质,受温差影响,就会改变整片玻璃的应力,产生自爆。


04、设计和施工不当也会引起钢化玻璃自爆


除了内在杂质过多,设计和施工对玻璃自爆也有关系。


两块钢化玻璃,相同的尺寸,相同的厚度,都是经过检验合格的产品。


一块不做任何的处理。


另一块对4个角进行加固,3个松1个紧,来看看玻璃的坚固程度会不会有区别。


安装加固钢化玻璃时,要求四周受力均匀。但大史故意在其中一个角拧紧螺丝,来模拟施工不当的情况。


结果,没做任何处理的钢化玻璃敲了很多下都没破。


有螺丝的钢化玻璃两锤就碎了。


所以,看上去很坚固耐用的钢化玻璃,只要应力结构发生改变,就会变得非常脆弱。


现代玻璃生产技术不能完全消除硫化镍杂质的存在,夏天又是幕墙构件最容易变形的季节,多重原因之下,钢化玻璃就容易发生自爆。


根据我国《建筑玻璃应用技术规程》的规定,凌空面3米以上的幕墙,必须采用夹胶玻璃。夹胶玻璃就是中间有层胶水,即便自爆也不会脱落,安全性很高。如果你看到有高楼钢化玻璃自爆掉落的,那基本上就是偷工减料了。

来源:科普中国、 好奇实验室

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