《Science》子刊：顛覆傳統(tǒng)觀念！首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)玻璃材料這種斷裂機(jī)制
2021-05-10 10:32:22
作者：材料科學(xué)與工程 來(lái)源：中科院物理所
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玻璃是我們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活中不可或缺的重要材料，脆性是玻璃最突出的特征之一，災(zāi)難性的脆性斷裂也制約了玻璃的更廣泛應(yīng)用。對(duì)玻璃失穩(wěn)斷裂機(jī)理的研究不僅關(guān)乎玻璃自身力學(xué)性能的優(yōu)化，也對(duì)認(rèn)識(shí)無(wú)序系統(tǒng)的力學(xué)失穩(wěn)提供科學(xué)指導(dǎo)。傳統(tǒng)玻璃態(tài)材料（如氧化物玻璃）被認(rèn)為是理想的脆性材料，根據(jù)經(jīng)典的固體斷裂力學(xué)理論，其脆性斷裂是通過(guò)原子鍵的依次斷裂進(jìn)行，而不發(fā)生原子的塑性流動(dòng)。但是，近年來(lái)不少研究提出了傳統(tǒng)脆性玻璃也有可能在微觀尺度上發(fā)生塑性流動(dòng)的觀點(diǎn)。關(guān)于玻璃斷裂時(shí)能否發(fā)生塑性變形一直是學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期爭(zhēng)議的基本科學(xué)問(wèn)題。
玻璃家族的新成員，金屬玻璃（又稱(chēng)非晶合金）不但具有優(yōu)異的力學(xué)性能，也是研究玻璃態(tài)材料失穩(wěn)斷裂的模型體系。金屬玻璃斷裂表面上可以呈現(xiàn)出豐富的、多尺度的圖案特征。如近年來(lái)在許多金屬玻璃的斷面上發(fā)現(xiàn)了納米尺度的周期性條紋。對(duì)這些斷面特征的研究不僅挑戰(zhàn)了人們對(duì)傳統(tǒng)的斷裂理論的認(rèn)識(shí)，也揭示了遠(yuǎn)離平衡態(tài)的無(wú)序固體體系力學(xué)失穩(wěn)的復(fù)雜性和有序性。斷面圖案特征的形成必然和裂紋在玻璃固體中的形成和擴(kuò)展過(guò)程密切相關(guān)。但觸發(fā)災(zāi)難性脆斷的裂紋是如何起源，又是如何擴(kuò)展的？這已經(jīng)成為非晶態(tài)物理和材料領(lǐng)域內(nèi)亟需回答的根本性問(wèn)題之一。
近年來(lái)，大量的理論和模擬工作預(yù)言了金屬玻璃斷裂過(guò)程中的空穴（cavitation）行為，意識(shí)到空穴形成可能是主導(dǎo)金屬玻璃甚至其他非晶體系失穩(wěn)斷裂的潛在機(jī)制。空穴化或孔洞聚集是塑性材料延性斷裂的典型特征，但是否存在于以金屬玻璃為代表的玻璃態(tài)材料的宏觀脆性斷裂中尚未得到確切的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。
近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心極端條件物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室EX4組博士生沈來(lái)權(quán)（現(xiàn)為松山湖材料實(shí)驗(yàn)室博士后）在白海洋研究員、孫保安副研究員和汪衛(wèi)華院士的聯(lián)合指導(dǎo)下，首次實(shí)驗(yàn)證實(shí)了玻璃材料斷裂的空穴失穩(wěn)機(jī)制。基于自主設(shè)計(jì)的傾斜壓痕斷裂方法，結(jié)合原子力顯微技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)金屬玻璃裂紋擴(kuò)展的高精度測(cè)量，在國(guó)際上首次實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到金屬玻璃裂紋尖端的空穴化，揭示出空穴主導(dǎo)的裂紋擴(kuò)展機(jī)制，呈現(xiàn)了以納米孔洞形核、長(zhǎng)大、連接有序進(jìn)行的裂紋擴(kuò)展方式（圖1）。
圖1.金屬玻璃中空穴主導(dǎo)的裂紋擴(kuò)展機(jī)制。裂紋擴(kuò)展以納米孔洞的形核、長(zhǎng)大、連接有序進(jìn)行
另外，實(shí)驗(yàn)給出了裂紋形貌由離散的孔洞到周期性納米起伏結(jié)構(gòu)的演化過(guò)程（圖2），闡明了金屬玻璃斷裂表面上觀察到的周期性納米條紋形貌的起源，即斷裂過(guò)程中有序進(jìn)行的空穴行為。更進(jìn)一步的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于典型的高分子玻璃（塑料）和氧化物玻璃（二氧化硅）均可表現(xiàn)出空穴失穩(wěn)誘導(dǎo)的斷面周期性納米結(jié)構(gòu)（圖3），說(shuō)明了不同玻璃體系斷裂行為的共性和空穴失穩(wěn)機(jī)制的普遍性。所揭示出的隱藏在玻璃災(zāi)難性斷裂下的納米空穴化現(xiàn)象也澄清了學(xué)術(shù)界的長(zhǎng)期爭(zhēng)議，明確了玻璃材料宏觀脆性斷裂過(guò)程中納米尺度塑性流動(dòng)的存在。
圖2.裂紋形貌由分立納米孔洞到周期性納米起伏結(jié)構(gòu)的演化
圖3.高分子玻璃和氧化物玻璃中空穴行為誘導(dǎo)的斷面周期性納米結(jié)構(gòu)圖案。
玻璃斷裂的空穴行為的發(fā)現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)觀念中對(duì)玻璃固體脆性斷裂的固有認(rèn)知，為理解非晶態(tài)材料等無(wú)序復(fù)雜體系的力學(xué)失穩(wěn)奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，也為優(yōu)化設(shè)計(jì)玻璃材料的力學(xué)性能提供了新思路。
相關(guān)研究結(jié)果在 Science Advances 上線發(fā)表。沈來(lái)權(quán)博士為論 文的第一作者，白海洋研究員和孫保安副研究員為論文的共同通訊作者。上述研究工作得到了中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和廣東省自然科學(xué)基金等的資助。
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