中科院李建强团队《iScience》：破纪录！超高硬度和模量的氧化物高熵玻璃！

编辑推荐：本研究成功制备了氧化物高熵玻璃，具有破纪录的硬度（12.58 GPa）和模量（177.9 GPa），以及优异的断裂韧性。玻璃样品在硬度、模量和断裂韧性上远超目前康宁公司的主流产品-大猩猩六代手机屏幕玻璃（被称为有史以来最“坚强”手机屏幕），在盖板玻璃领域具有重要的潜在应用。

具有高硬度、高杨氏模量和高断裂韧性的玻璃，因为它优异的抗划伤和抗尖锐接触损伤性能，在智能手机、笔记本电脑、平板电脑和可穿戴设备的电子显示屏中有着广泛而迫切的应用需求。随着电子设备向轻薄化及小型化发展，对电子设备，特别是移动终端设备的盖板玻璃提出了更高的要求。盖板玻璃市场目前主流的钠钙玻璃和高铝玻璃，如大猩猩手机屏幕玻璃，在生产过程中为了提高它们的硬度、模量和断裂韧性，通常需要进行化学强化处理。强化后的玻璃由于表面应力层的存在，在硬度、模量和断裂韧性上有一定的提升，但是这种后处理方法限制了玻璃形状的后期设计，玻璃一旦进行化学强化就很难再加工。因此，通过创新成分设计和制备方法，制备出本征上具有高硬度、高模量和高断裂韧性的玻璃，对电子玻璃行业具有重要的意义。

高熵材料作为一种全新的材料体系，打破了传统的材料设计理念，在金属、陶瓷及金属间化合物等领域受到了广泛的研究。与传统材料相比，它在力学、物理和化学性能等方面表现出了独特的优势，目前已经成为国际材料学术界的重要研究热点之一。

近日，中国科学院过程工程研究所李建强研究员领导的团队将高熵材料的设计理念推广到玻璃领域，同时，结合高硬度高杨氏模量玻璃的经典理论准则，成功研制出了具有超高硬度和杨氏模量的氧化物高熵玻璃。该成果以“High-entropy R2O3-Y2O3-TiO2-ZrO2-Al2O3 glasses with ultrahigh hardness, Young’s modulus, and indentation fracturetoughness”为题，发表在Cell子刊《iScience》上。中国科学院过程工程研究所/中国科学院大学博士生郭永昶为第一作者，李建强研究员为通讯作者。

论文链接：

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(21)00703-3

玻璃的硬度、模量和断裂韧性取决于材料的组分和微观结构。通常情况下，选取具有高解离能的氧化物组元（如Al2O3），并通过优化制备工艺调控增大原子堆积密度，有利于提高玻璃力学性能，但同时会导致玻璃形成能力的严重下降。为了解决这一矛盾性关键科学问题，研究人员结合课题组在特种玻璃领域的多年研究基础，合理选取多主元组分，并采用激光加热熔化-无容器凝固方法，成功制备了氧化物高熵玻璃，具有破纪录的硬度（12.58 GPa）和模量（177.9 GPa），以及优异的断裂韧性（1.52 MPa·m0.5）和良好的可见光-近中红外波段透过性（最大86.8%）。玻璃样品在硬度、模量和断裂韧性上远超目前康宁公司的主流产品-大猩猩六代手机屏幕玻璃（被称为有史以来最“坚强”手机屏幕，具有优异的硬度6.78 GPa、模量77 GPa和断裂韧性0.7 MPa·m0.5），在盖板玻璃领域具有重要的潜在应用。

图1.氧化物高熵玻璃性能及机理。（A-B）样品在可见光-近中红外波段透过性；（B-C）样品硬度、模量及断裂韧性与现有氧化物玻璃对比；（D-E）样品原子堆积密度及27Al MAS NMR配位数拟合曲线分析

该项研究受到北京市科技攻关项目、国家自然科学基金资助项目和中国载人空间站科学实验项目的基金资助。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。