Nước mắt của Rupert
Khi bạn thả thủy tinh nóng chảy vào nước, nó nhanh chóng ngưng tụ lại, tạo thành cấu trúc thủy tinh giống như giọt nước có đuôi dài. Những hạt thủy tinh thu được theo cách này còn được gọi là “Nước mắt Rupert”.
Nguồn gốc của cái tên này được cho là từ Rupert, cháu trai của vua Charles I, người đầu tiên mang sản phẩm thủy tinh đặc biệt này sang Anh vào năm 1660. Tại triều đình, Rupert thường dùng vật nhỏ này để trêu chọc mọi người. nên được gọi là Nước mắt của Rupert.
Mặt kỳ diệu của Nước mắt Rupert
Cấu trúc kính tưởng chừng như bình thường này lại có những đặc tính hoàn toàn khác với kính thông thường, đầu của nó cực kỳ cứng. Một đầu thủy tinh có kích thước bằng móng tay có thể chịu được áp lực hơn 20 tấn, ngay cả khi bạn bắn nó bằng một viên đạn, viên đạn sẽ vỡ tan.
Sở dĩ Rupert’s Tears có đặc tính “bất thường” như vậy là liên quan đến nội lực của nó, phải bắt đầu từ quá trình hình thành.
Khi một giọt thủy tinh nóng chảy rơi vào nước, bề mặt bên ngoài của giọt sẽ nhanh chóng nguội đi và đông đặc lại tạo thành lớp vỏ sau khi tiếp xúc với nước nhưng phần thủy tinh bên trong vỏ vẫn giữ nguyên nhiệt độ. cao và vẫn ở dạng lỏng. Khi nhiệt độ của thủy tinh lỏng bên trong giảm dần thì thể tích bắt đầu co lại. Quá trình co lại sẽ tạo ra một ứng suất nén rất lớn lên bề mặt kính, đồng thời lớp bên trong bị kéo căng bởi lớp bên ngoài, tạo ra ứng suất. khả năng kéo.
Chính ứng suất nén được tạo ra bởi lớp kính trên bề mặt này đã mang lại cho phần đầu của Rupert’s Tears độ bền cực cao.
Chúng ta biết rằng vỡ kính thực chất là sự giãn nở của các vết nứt, nhưng đối với Rupert’s Tears, ngay cả khi các vết nứt cực nhỏ được tạo ra trên bề mặt do ngoại lực, thì ứng suất nén rất lớn trên bề mặt sẽ ngăn chặn các vết nứt vi mô giãn nở thêm. Về mặt vĩ mô, nó có khả năng chịu được áp lực bên ngoài rất cao và khó bị gãy.
Nhưng còn một điều đặc biệt thú vị khác về Rupert’s Tears, đó là cái đuôi của nó đặc biệt mỏng manh. Một khi cái đuôi bị gãy, toàn bộ Rupert’s Tears sẽ vỡ ngay lập tức. Nguyên nhân dẫn đến hiện tượng này là do toàn bộ Rupert’s Tears có ứng suất bên trong rất lớn, có thể lên tới 7.000 lần áp suất khí quyển. Ứng suất nén trên bề mặt và ứng suất kéo bên trong tạo thành sự cân bằng lực, nhưng một khi sự cân bằng này bị phá vỡ, nó sẽ lập tức mất cân bằng và vỡ tung.
Bởi vì Rupert’s Tears có một cái đuôi dài và mảnh nên tốc độ làm mát bên trong và bên ngoài của đuôi trong quá trình hóa rắn là tương tự nhau, do đó hiệu ứng tăng cường do ứng suất nén tạo ra bị hạn chế nên cũng tương tự nhau. khá dễ vỡ. Nếu đuôi bị gãy một khi các vết nứt nông ở đuôi sẽ ăn sâu vào phần đầu dọc theo trục thì ứng suất trong toàn bộ kết cấu sẽ mất cân bằng dẫn đến nổ tổng thể.
Nguyên lý của kính cường lực cũng tương tự
Trên thực tế, kính cường lực có hai loại, một loại là tôi luyện vật lý và một loại là tôi luyện hóa học.
– Ủ vật lý
Nguyên lý vật lý tương tự như nguyên lý hình thành Nước mắt Rupert ở trên, đồng thời nó cũng trải qua quá trình làm nguội nhanh chóng.
Sản xuất thủy tinh thông thường là làm tan chảy nguyên liệu thô để tạo thành chất lỏng thủy tinh đồng nhất không có bọt khí. Sau khi chất lỏng thủy tinh được giảm đến nhiệt độ nhất định, độ nhớt tăng lên và có độ dẻo lớn. Bằng cách này, thủy tinh có thể được xử lý cơ học và cuộn thành dạng tấm phẳng. Vẫn còn một lượng ứng suất nhất định bên trong kính đã nguội, do đó kính phải được nung ở nhiệt độ thấp hơn, sau đó được làm nguội và tôi luyện để loại bỏ ứng suất bên trong và tạo thành cấu trúc ổn định.
Kính cường lực yêu cầu bước tăng cường ở cuối quá trình trên, quy trình cụ thể là thu được kính thông thường, sau đó hạ thấp và nung đến nhiệt độ gần hóa mềm kính khoảng 650°C đến 700°C, sau đó thêm vào cả hai. bề mặt kính, đồng thời thổi khí áp suất cao để làm mát nhanh chóng. Bề mặt kính co lại và đông cứng nhanh chóng nên kính sẽ tạo thành lớp bề mặt có ứng suất nén rất cao, khi đó phần tâm được làm mát sẽ tạo ra ứng suất kéo bên trong cao. Toàn bộ quá trình thay đổi này về cơ bản giống với Rupert’s Tears, một lớp ứng suất nén dày khoảng 1/6 tấm kính sẽ được hình thành ở cả hai mặt của tấm kính, quá trình trên còn gọi là ủ. . Kính cường lực cũng có độ bền cao, nguyên lý gia cố giống như Rupert’s Tears nên mình sẽ không đi sâu vào chi tiết ở đây.
– Ủ hoá học
Ủ hóa học sử dụng phương pháp hóa học để tăng cường thủy tinh. Phương pháp này là ngâm thủy tinh chứa ion kim loại kiềm vào muối kiềm nóng chảy và đun nóng trong một khoảng thời gian. Trong quá trình ngâm, các ion kim loại kiềm trong thủy tinh đủ gần bề mặt có thể thay thế các ion kim loại kiềm trong muối nóng chảy, khi bán kính của các ion kim loại kiềm trong muối kiềm nóng chảy lớn hơn bán kính của các ion kim loại kiềm bên trong kính sẽ tạo thành lực ép lên bề mặt kính, tạo ra hiệu ứng áp suất, từ đó tạo ra ứng suất nén và tăng độ bền cho kính.
Nhìn chung, do công nghệ ủ có giá thành cao nên kính cường lực được tăng cường hóa học thường được sử dụng trong các sản phẩm như điện thoại di động, màn hình phẳng, đường sắt tốc độ cao và kính chắn gió máy bay.
Tính chất độc đáo của kính cường lực
Như đã đề cập trước đó, bề mặt kính cường lực có ứng suất nén mạnh nên có hiệu suất hoạt động mạnh hơn kính thông thường về mọi mặt. Chủ yếu phản ánh ở những điểm sau.
1. Kính cường lực có độ bền cao, chịu va đập tốt, chống cong vênh. Nhìn chung, độ bền của kính cường lực cao cấp có thể gấp 4-5 lần so với kính thông thường.
2.Kính cường lực có độ ổn định nhiệt tốt và có thể chịu được chênh lệch nhiệt độ rất lớn mà không bị hư hại, đồng thời có khả năng làm mát và làm nóng nhanh, có thể chịu được sự thay đổi nhiệt độ trên 200 độ, có tác dụng rõ rệt trong việc ngăn ngừa cháy nổ nhiệt; Chiếc kính được cân bằng, nhưng một khi đạt được sự cân bằng này
Nếu kính cường lực bị vỡ, các hạt nhỏ có góc tù sẽ nhanh chóng xuất hiện sau khi vỡ, hạn chế tối đa thiệt hại cho cơ thể con người.
Tuy nhiên, kính cường lực có hiện tượng tự nổ. Nếu không có lực cơ học bên ngoài, kính cường lực có thể tự vỡ. Theo kinh nghiệm trong ngành, tốc độ tự nổ của kính cường lực thông thường là khoảng 1 ~ 3 ‰.
Theo nghiên cứu, một trong những nguyên nhân quan trọng khiến kính cường lực tự phát nổ là do các hạt tạp chất niken sunfua có trong kính trải qua quá trình biến đổi pha do chênh lệch nhiệt độ. NiS nói chung là tinh thể và có xu hướng nhiệt động chuyển từ pha α sang pha. trộn ở nhiệt độ phòng, kèm theo sự giãn nở thể tích từ 2% đến 3%, sự thay đổi này có thể khiến kính cường lực phát nổ.
Vì kính cường lực sẽ ngay lập tức vỡ thành vô số mảnh nhỏ sau khi vỡ, vì lý do an toàn nên nhiều loại kính cường lực sẽ có lớp xen kẽ PVB kẹp giữa kính, loại màng này có độ bền cao và độ bền của kính bám chặt vào loại màng này. , Nó không chỉ có thể cải thiện hơn nữa độ bền của toàn bộ mảnh kính mà còn có thể hấp thụ một lượng lớn năng lượng va chạm và nhanh chóng làm suy giảm khi kính bị vỡ bởi ngoại lực, đồng thời có thể duy trì hình dạng tổng thể của kính. thủy tinh. và ngăn chặn cơ thể con người bị thương bởi các mảnh vụn.
