玻璃技术问鼎Nature！苹果靠它征服世界，老材料开启万亿新时代！

vivi

2021-04-26

2007年1月9日，乔布斯首次使用3.5英寸全触控玻璃屏幕，正式开启了智能手机时代的大门。

2010年6月8日， 双面玻璃机身的iPhone 4震撼问世，前后机身都使用铝矽酸盐玻璃制造，表面均具有防油脂涂层。

苹果，用一块玻璃征服世界。

图：iPhone 12（来源苹果官网）

玻璃，可以说是这个世界上最重要，也是最奇妙的东西之一。

纵然五千年前已有之，21世纪以来，玻璃可谓无处不在，无时不有！据统计，每年玻璃产量高达1.2亿吨，建筑玻璃、汽车玻璃、光伏玻璃、电子器件触控防护玻璃，全球玻璃市场俨然已超过万亿。

玻璃制造，一定要用高温工艺吗？

然而，由于制备工艺上的挑战，玻璃的地位受到了来自聚合物的威胁。

聚合物可以使用大规模的工业复制技术进行加工，如注射成型(IM)，而玻璃通常是通过熔化来加工的，耗能高，技术上挑战大。

透明玻璃物体主要是由熔融或软化的玻璃制造，然后将其漂浮、拉伸、吹塑、浇铸或吹塑成所需的形状。玻璃成分和加工技术决定了工作温度，该温度通常很高（接近1000°C），并且常常限制了兼容设备和玻璃成分的选择。热塑性聚合物可在约200°C至250°C的相对适中的温度下加工；而对于熔融石英，玻璃仍主要通过在〜2000°C的温度下熔融，硅酸盐玻璃则需要在1500°C的温度下熔融加工而成。传统玻璃制造工艺产生极高的能耗，每生产一吨玻璃大概需要耗能 5-6 MJ。当前的方法在某种程度上已经不太适合玻璃大规模生产，并且所制备的几何形状也有所限制。

发展低温制备玻璃技术是当前该领域的一个重要挑战。

新突破：非晶SiO₂纳米复合材料

为了解决玻璃制造工艺需要高温的问题，德国弗莱堡大学的Frederik Kotz教授等人借鉴聚合物加工技术，发展了使用非晶SiO₂纳米复合材料的高通量注射成型工艺，该工艺结合了现有工艺技术和低能量烧结等优势，可在低温下制备玻璃品，大幅降低能源消耗，而且不需要复杂的专业设备，为大规模生产玻璃注入了新的希望。

更低温度，更低能耗，更环保

研究人员将非晶SiO2纳米复合材料与传统的低温注射成型技术相结合，发展了低温下制备玻璃组将的新工艺。该工艺中的很多脱脂反应发生在水中，而不再需要在很高的温度下进行。更为重要的是，复合材料中使用的聚合物可以回收和再利用。

使用高通量的热塑性SiO₂纳米复合材料，研究人员来形成高质量的熔融硅玻璃，这些玻璃在烧结后，可以制成具有光学表面质量的高纯质量玻璃。烧结的熔融石英玻璃具有高透明度和低表面粗糙度，可以用于光学应用，而不需要进一步的后处理。

而且，该工艺生产效率高，每件生产速度只需5秒。

图1. 热塑性纳米复合材料熔融SiO₂的注射成型技术

提供了生产复杂形状、高质量玻璃组件的可能性

研究人员指出，该工艺可以得到各种形状的熔融硅玻璃制品，包括管状物、烧杯和微透镜阵列等。这项技术提供了生产复杂形状、高质量玻璃组件的可能性。

图2. 用于制造熔融石英玻璃组件的注射成型工艺的可持续性

图3. 注射成型大块熔融石英玻璃组件

工业技术，可规模化生产

该工艺适用于工业上可规模化加工的技术，所采用的机器也被广泛应用于生产中，如玻璃制造的注射成型技术已经非常成熟，并有望降低传统玻璃加工的能源消耗。

使用同样的高通量制造方法，使聚合物成为21世纪最重要的材料类别之一。通过利用玻璃相对于聚合物的固有优势，同时依赖现有的商业机器，这一战略可以将玻璃加工升级为更具经济竞争力的聚合物加工。

图4. 注射成型微结构熔融石英玻璃组件

图5. 注塑成型熔融石英玻璃的光学表征

参考文献：

Markus Mader et al. High-throughput injection molding of transparent fused silica glass. Science 2021, 372, 182-186.

DOI: 10.1126/science.abf1537

https://science.sciencemag.org/content/372/6538/182