嗨！你撞過玻璃門嗎？
許多人都撞過，有時候由於商店的玻璃櫥窗擦的太乾淨，又缺乏足夠明顯的標誌，也會使一些顧客中招。因為當你從一個較暗的環境走向一個相對明亮的區域時，是不容易發現中間阻隔著的玻璃的，那多半是一次很痛的經歷。
她很痛，但她是幸運的
我許多年前也撞過玻璃門，並且還把人家工廠車間的大門給撞碎了。當時是晚上，他們車間裡燈火通明，但外邊很黑，並且玻璃門上沒貼任何標識，所以我看不見玻璃。儘管傷的不是腦袋而是膝蓋，但給人賠錢配玻璃還是讓我心疼了很久。不過，比起下邊這位，我算是幸運多了。
這是多麼痛的領悟！
看到了吧？好在撞碎的是鋼化玻璃，才沒有讓這位老兄受更嚴重的傷，否則後果不堪設想。
玻璃的生產
普通玻璃廣泛應用於我們的日常生活中，比如玻璃窗、鏡子、水杯和瓶瓶罐罐等等。最早的玻璃由石英砂添加助溶劑後經高溫熔融製成，它的主要成分是二氧化硅，因此稱為石英玻璃或硅酸鹽玻璃。由於需要加熱到很高的溫度，耗能大，成本高，漸漸被鈉鈣玻璃替代。
用於製作玻璃門窗的平板（浮法）玻璃與製作玻璃瓶的玻璃所含的礦物質比例稍有不同，總的來說它們大致都含有73%~74%的二氧化硅，13%~14%的氧化鈉，9%~10.5%的氧化鈣，還有相應比率的氧化鎂、氧化鋁、氧化鉀等添加劑。當將石英砂、蘇打、石灰和白雲石等原料充分混合，在溶化爐中經大約1500℃高溫加熱後，這些原料開始進行“玻璃化”的化學反應，從而生成炙熱的熔融狀態玻璃。讓其流入錫槽冷卻後就製成了平板玻璃，將其倒入模具就能吹成各種瓶子。
玻璃工廠的平板玻璃
平板玻璃加工容易，可以大規模生產，因此價格便宜，應用非常廣泛。由於既能遮風擋雨又能使光線透過，故深受大家歡迎。
但平板玻璃也有一個天生的缺點，那就是它很脆，稍微大力的撞擊就會破碎，並且玻璃碎片極為鋒利，很容易傷人。
它易碎，並且容易傷人
人們希望找到一種辦法，既可以利用玻璃的優點，又使它不容易破碎；即便是碎裂了，也不要對人造成大的傷害。這就是鋼化玻璃。
魯珀特之淚
說起鋼化玻璃，就不能不提著名的“魯珀特王子之淚”。其實它就是一顆小玻璃球，頭部的形狀像一顆水滴，同時它又有一條細細長長的尾巴，如同一滴長長的眼淚一般。
“魯珀特王子之淚”
這顆“眼淚”看似一般，其實並不簡單。因為它的頭部有難以比擬的強度，即使是子彈的撞擊也不能使它碎裂。
但是這顆“魯珀特王子之淚”有個阿喀琉斯之踵，那就是它那長長的纖細的尾巴，你只要輕輕將它的尾巴掐斷，整個玻璃珠就會瞬間化為齏粉。
強大應力釋放使其粉碎
為什麼會這樣？
這需要從“王子淚滴”的誕生說起。
當我們將一顆處於熔融狀態的玻璃液滴落入水中，它的表面會迅速變冷凝固。 但是，玻璃珠的內部降溫沒有那麼快，所以它只是表面收縮變硬了，中心部分還是處於炙熱膨脹的狀態，所以整個玻璃珠的體積並沒有減小多少。而當液滴中間的玻璃慢慢變冷時，它的外殼已經固定，中心的玻璃要收縮但被外殼緊緊地拉著使它不能縮小。
冷卻的過程產生內部應力
於是在這顆玻璃珠的中心與外殼間形成了一個強大的應力。這個應力將二氧化硅分子網絡緊緊地拽在一起，使本來很脆弱的玻璃變得十分堅硬，它可以抵抗高達20噸的壓力。
小小玻璃珠可以抵抗20噸的壓力
鋼化玻璃正是利用了“魯珀特王子之淚”的力學原理。
鋼化玻璃的製作
鋼化玻璃就是利用普通玻璃經過熱處理工藝製作出來的，這個過程被稱為“回火”。回火產生強大的應力使玻璃的表面受壓、內部受拉，於是玻璃的剛度和韌性大幅度增強。我們可以通過玻璃碎裂後斷口的對比，就能很容易地看到鋼化玻璃內部應力分部的情況。
三種玻璃斷口可以反映內部應力的不同
在製作鋼化玻璃之前，工人們需要將普通的玻璃切割成圖紙要求的形狀和尺寸，並且將邊角進行打磨，該鑽的孔都要鑽好，因為這一切在回火之後都無法再做了。
清洗乾淨後，玻璃在長長的加熱爐裡被加熱到650℃以上的高溫，此時玻璃會變軟，在前一次加工中在內部形成的應力消除。當傳送帶將玻璃送出爐口時，佈置在外面的冷風機從各個方向給玻璃表面均勻降溫，使其外層迅速變硬，然後玻璃的內部會在長長的傳送帶上一點點冷卻下來。
鋼化玻璃生產過程簡圖
回火使得玻璃表面產生強大的壓縮應力，這個力與玻璃中心的拉伸應力相平衡。當玻璃表面壓應力在3500~7500psi（磅/平方英寸）時，我們稱之為熱強化玻璃；當表面壓應力大於1000psi時，它在破裂時才能碎成小塊，我們稱之為鋼化玻璃；只有當表面壓應力大於15000psi（約100兆帕）時，它的碎片邊緣才變得不那麼尖銳，這種玻璃被稱作安全玻璃。
不同的表面壓應力產生不同的碎裂效果
為什麼鋼化玻璃會碎成渣？
由於內部強大的應力，鋼化玻璃的分子被牢牢地束縛在一起，這使玻璃一改之前脆弱的毛病，變得更加強硬且更具韌性，它輕易不會被撞碎或壓碎。
同樣地，正是由於玻璃內部存在著巨大的應力作用，整塊玻璃特別是邊角處時刻處於緊繃狀態。哪怕是它的表面出現一點點的劃傷或破損，應力就會集中到這個點上，從面打破原有的平衡，在破損處造成分子鍵的斷裂。分子鍵斷裂的能量以聲速在玻璃內部傳遞，玻璃內部集聚的應力會從附近最薄弱的地方釋放出來，於是造成廣泛的分子鍵斷裂。於是在一瞬間，整塊玻璃碎成渣渣。這就是鋼化玻璃在製成之後不能被加工的原因，你無論是試圖在上面鑽孔、用尖的東西砸它，或者只是拿玻璃刀在表面劃一下，都能立刻將其報廢。
普通鋼化玻璃碎片依然存在銳角
玻璃破碎的程度與此前在回火過程中形成的表面壓應力大小密切相關，壓應力越大，玻璃破碎得越徹底，它形成的碎片也就越安全。這一點很重要，因為那些碎裂的玻璃門窗或者浴室玻璃，只要它存在尖銳的角，依然可以造成皮膚的劃傷，嚴重時甚至能割破血管。
安全玻璃的碎渣傷人概率更小
為了使玻璃變得更安全，人們不僅使用熱處理的鋼化玻璃，還在兩層玻璃中間加一層高分子材料膜，這樣即便是它受到衝擊破碎，碎片也不會掉落下來，飛得到處都是。這種夾膠安全玻璃在汽車上很常見，它已經成為風擋的標配了。
擋風玻璃是夾膠玻璃
我們今天用了2000字的篇幅向你介紹了鋼化玻璃的原理，現在做一個簡單回顧。
玻璃在我們的生活中被廣泛使用，它容易碎裂，並且鋒利的碎片會造成傷害，因此人們在生產的過程中運用熱處理工藝改良了玻璃。
通過對“魯珀特王子之淚”的力學分析，我們知道玻璃在快速冷卻的過程中會產生強大的內應力，它使玻璃變得更加堅固。於是玻璃製造商通過增加“回火”工序生產出鋼化玻璃，它更堅固，也更安全。
當鋼化玻璃的表面出現缺陷，應力會集中於缺陷處並使分子鍵發生斷裂，斷裂的能量向四周迅速擴散開來，這種能量會瞬間釋放它附近的應力、造成和新的斷裂和能量釋放，進而形成“鏈式反應”，使玻璃碎成渣渣。
小心玻璃！
儘管玻璃因鋼化變得堅固和安全，我們走路的時候還是應該多加小心，更不能抱著手機做“低頭族”，否則你將後悔莫及。
閱讀更多 美梅答疑 的文章
