仿生紅鮑殼的不碎裂耐熱結構玻璃

 
2017/04/27 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館     271
 

玻璃具有透明、堅固、抗化學腐蝕、耐用等優點,但脆裂易碎,加拿大麥基爾大學(McGill University)巴德拉特(Francois Barthelat)副教授領導的研究團隊,模仿紅鮑(Haliotis rufescens)貝殼珍珠質微結構,研發新型耐熱結構玻璃,由93%硼矽酸鹽玻璃(Borosilicate Glass)和7%聚氨酯(polyurethane,簡稱PU)組成,遭受強力衝擊時只會略微彎曲、卻不碎裂,較100%硼矽酸鹽玻璃的韌性增加達700倍、抵抗衝擊能量大2-4倍,可拉伸延長約5%(硼矽酸鹽玻璃僅0.1%)。未來除可取代既有耐熱玻璃外,還能應用於交通工具或建築物窗戶、防彈玻璃、安全鏡片、電子或電器設備的透明結構和觸控螢幕、天文望遠鏡、太空梭隔熱瓦等。相關論文於2016年2月在《Extreme Mechanics Letters》期刊發表。

 

純玻璃又稱石英玻璃(fused silica),成分為100%二氧化矽(SiO2),以高溫熔融矽砂後冷卻成形,膨脹係數5.8×10-7,莫氏硬度7;再添加13%氧化硼(B2O3)就能製成俗稱耐熱玻璃的硼矽酸鹽玻璃,又名硬玻璃,具有低膨脹率、耐高溫、高強度、高硬度、高透光率和高化學穩定性,膨脹係數32×10-7,可耐200度溫差的急熱和急冷,常用於製造試管、燒杯等理化實驗器材設備,烹飪的鍋具、餐具、玻璃保鮮盒、奶瓶、耐熱茶壺和茶杯等廚房用品、燈罩、與電器設備的耐熱玻璃零件如微波爐專用玻璃轉盤、微波爐燈罩、滾筒洗衣機觀察窗等,派勒克斯玻璃(Pyrex glass)即為一例,但遭到外力撞擊時仍會產生裂紋或破損。

 

研究團隊因此研究紅鮑殼珍珠質的增韌機制,發現珍珠質的多層微結構會使外力造成的裂紋偏轉、並消耗能量,同時有機質產生非線性變形和微滑移,而礦物橋和文石的晶體變形偏移具有互鎖作用,符合拓撲互鎖材料(topologically interlocked materials)中,特定形狀的結構塊之間以機械鍵互鎖,構成在橫向靜態或衝擊負載時具有強度和韌性的結構材料,因而在較高強度時能大幅提高韌性。

 

紅鮑殼的厚度約0.6-0.7公釐,其中50%位於最內層、結構最強韌的珍珠質,成分除極少量水,還有5%彈性柔弱的有機質(幾丁質與絲蛋白)提供非線性變形、裂紋偏轉,並觸發極強的增韌機制,及95%具有剛度和硬度的文石晶片(又名霰石,斜方晶系的碳酸鈣CaCO3)。文石的碳酸鈣晶體長、寬為200x100奈米(nm=10-9m),晶體界面上的有機質厚約10奈米;文石晶體聚集形成的六邊形文石晶片,直徑5-15微米(μm=10-6m),厚度0.5-1.0微米。有機質黏結文石晶片,類似水泥及磚塊交叉疊層成磚牆結構,文石晶片層表面有許多微突起的礦物橋連接層與層間,與有機質共同形成奈米級粗糙度,提供滑動的摩擦阻力,這種結構較純碳酸鈣晶體的斷裂韌性高3,000倍,強度高達130百萬帕(Mpa)。

 

研究團隊採由上而下的製造方式,使用長、寬、厚50.8×50.8x3.175公釐的硼矽酸鹽光學級263M玻璃板,以雷射在玻璃內雕刻出微凹陷和裂紋、並產生雕刻接口,再用6.375×3.175公釐的基塊,與雕刻接口從0到20度的不同互鎖角度進行組合,再分別測試韌性。

 

結果發現基塊的互鎖角度、雕刻接口的粗糙度、接口材料、和載荷速率等都會影響耐熱結構玻璃的強度與韌性,基塊的幾何形狀、尺寸、排列、及外部框架的約束程度,都會決定耐熱結構玻璃的變形和斷裂程度,若雕刻接口角度在10度以內增加時,韌性較對照組的相同材質耐熱玻璃高,彼此間卻幾乎沒有差異。但在以PU填充初級結構玻璃的試驗中,採用離子聚合物(ionomer)沙林樹脂(Surlyn 9320,美國杜邦公司生產)仿生有機質黏合基塊,結果塑性變形大幅增強能量耗散性能,產生高變形和高強度,因此增加耐熱結構玻璃的韌性;若受到橫向力或衝擊時,耐熱結構玻璃較對照組高5-6倍的偏轉,並因雕刻接口引起的互鎖作用,亦可承受較大力量。新型耐熱結構玻璃的彎曲剛度、強度、和透明度雖低於對照組,但兩者表面硬度相同,且衝擊能量吸收力和衝擊抗力分別是對照組的50倍和2-4倍,且不會像對照組般碎裂。

 

由於3D雷射雕刻技術僅需一束雷射脈衝就可精確聚焦至預定位置玻璃,研究團隊未來將持續測試並以電腦建模,提升耐熱結構玻璃的整體機械性能,並升級製造技術,以運用於不同形狀、或更大、更厚的材料,研發和量產更優質的耐熱結構玻璃和相關產品。

(以上新聞編譯自2016年2月20日發行之Extreme Mechanics Letters期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
 
  • 來源:
     
    • Mirkhalaf, M., J. Tanguay, and F. Barthelat. 2016. Carving 3D architectures within glass: exploring new strategies to transform the mechanics and performance of materials. Extreme Mechanics Letters, 7: 104-113.
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • 玻璃的種類與組成(2017)新竹市玻璃工藝博物館典藏作品知識網,2017/02/24。
    • 孫娜、吳俊濤、江雷(2011)貝殼珍珠層及其仿生材料的研究進展。高等學校化學學報。
    • Barthelat, F. 2010. Nacre from mollusk shells: a model for high-performance structural materials. Bioinspiration & Biomimetics, 5(3): 035001-1-8.
    • Mohammad, S., M. Valashani, and F. Barthelat. 2015. A laser-engraved glass duplicating the structure, mechanics and performance of natural nacre. Bioinspiration & Biomimetics, 10 (2): 026005-1-11.
     
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