破裂之憾

破裂之憾
【英国《新科学家》周刊9月22日一期文章】题：破裂的美（作者　戴维·科恩）
祸从天降
1999年8月2日，英国格洛斯特郡赛伦塞斯特的天气热得出奇。卢克一家人吃完中饭，向毕晓普斯沃克购物中心走去。林恩·卢克回忆说：“刚走进大门我就听到一声巨响。我抬头一看，玻璃碎片向我们倾泻而来，中央有一块约篮球大小的玻璃直接砸向我5岁的儿子。碰巧，我最大的儿子阿什利弯下腰同他说话，玻璃猛地砸在阿什利的脖子后面。眨眼工夫他俩浑身是血地倒在我们面前。”
幸运的是，两个孩子都还活着，只是阿什利的膝盖在跌倒时严重受伤。科茨沃尔德区政务委员会在调查中发现，屋顶上一大块钢化玻璃毫无征兆地突然破碎，从框架上脱落，砸向卢克一家人。
生产这块玻璃的皮尔金顿公司派来的专家对碎片进行分析后，告诉区政务委员会环境卫生官员，几乎可以肯定是玻璃中的硫化镍微小晶体导致了这次事故。卢克一家不知道生产过程中的杂质会让钢化玻璃毫无征兆地破碎，但许多工程师知道这种事经常发生。
破碎原因
钢化玻璃被广泛应用于汽车、候车亭以及世界各地数以千计的建筑物上的窗子、墙面和屋顶。原因很简单，钢化玻璃的强度是普通玻璃的5倍，破碎时裂成细小颗粒而不是锋利的大块碎片。大块的钢化玻璃可以拼成透明的玻璃墙，用它做屋顶和地面也很方便，所以建筑师对钢化玻璃情有独钟。
钢化玻璃的制作过程是这样的：把一块普通玻璃加热到大约620摄氏度，使之轻度软化，结构膨胀，然后用冷气流迅速冷却。这导致玻璃的外层先于内部收缩和凝固。玻璃内部最终冷却并凝固后对玻璃外层产生拉力作用，使之始终处于压力之下，它还会使玻璃内部产生张力。裂缝最容易在有压力的物体中扩张，所以要防止玻璃破碎就必须消除玻璃表面的压力，使之不容易破碎。
钢化玻璃中的硫化镍杂质会导致玻璃破裂。生产玻璃的原材料中通常含有微量的镍和硫，熔化过程中镍合金碎片也会增加玻璃中的镍含量。当玻璃被加热时，这些原子发生反应，形成微小的硫化镍晶体。熔炉中0·1克镍可以形成的晶体数量多达5万个。
这些晶体以两种方式存在：高温下稳定的密度较大的α相和室温下稳定的密度小一些的β相。强化过程中的高温把所有的硫化镍晶体都转化成高密度的α相。但是接下来的冷却过程如此迅速，以至于硫化镍晶体没有足够的时间重新转化成β相。这在玻璃中遗留下不稳定的α相晶体，它就像被压缩的弹簧一样随时准备毫无征兆地重新转化成β相。
硫化镍晶体由α相转化成β相时体积膨胀4%。如果α相晶体位于张力最大的玻璃中央，膨胀产生的压力可以使整块玻璃破裂。破裂时间无法预测，可能是生产出来的几个月或几十年后，尽管玻璃被日光加热会加快晶体的转化速度。
亡羊补牢
检查整座大楼的玻璃以找出硫化镍晶体很费时间而且代价不菲，但是玻璃厂家迄今没有找到从源头上消除这种杂质的方法。不过，他们正努力寻找防止玻璃中硫化镍晶体产生危害的方法。
20世纪60年代，皮尔金顿公司和法国玻璃生产商圣戈班公司发明了热浸法。热浸法通过给玻璃加热数小时使之强化，其目的是把大多数硫化镍晶体转化成β相，使含有杂质的玻璃在熔炉中破碎。存留下来的玻璃差不多可被当作不含杂质。
然而，热浸法迄今为止也没有成为被广泛接受的标准。唯一的标准——德国标准化协会（DIN）标准诞生于20世纪80年代初，它建议在290摄氏度对玻璃热浸8小时。但是即使在德国，也只有部分钢化玻璃采用这种方法生产。而且，热浸法使玻璃成本提高1—4倍。为了降低成本，有的公司热浸的时间短，或者温度低。
即使完全按标准生产，也不能彻底避免玻璃破碎。大型建筑物轻易就会用上400吨玻璃，这意味着玻璃中硫化镍存在的几率很大。
像卢克一家发现的那样，安装在头顶的钢化玻璃的安全隐患最大。如果不是绝对垂直，玻璃破碎后可能会落在下面的物体和人身上。尽管钢化玻璃会碎成小块，但是有时它们也聚在一起形成危险的大块碎片。
发生过类似玻璃破碎的建筑物现在要么重新安装玻璃，要么在玻璃下面安装安全网。巴思理工大学窗户和覆面技术中心的斯蒂芬·莱德贝特还有一个办法：“在可能有人出现的上方，安装玻璃时应该在上面装一层钢化玻璃，底下再装一块夹层玻璃。如果钢化玻璃破碎，掉出框架，底下的夹层玻璃会接住它。”
夹层玻璃是用粘合剂把两层玻璃粘在一起，破碎时更容易保持在框架中。大多数玻璃装配公司现在都推荐在头顶装配玻璃时使用夹层玻璃。
几乎所有的欧洲国家在20世纪80年代都规定，头顶上的玻璃必须用夹层玻璃，但英国没有做出类似规定。