中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
EX4組供稿
第26期
2021年04月01日
玻璃是怎麽斷裂的?

  玻璃是我們日常生産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,災難性的脆性斷裂也制約了玻璃的更廣泛應用。對玻璃失穩斷裂機理的研究不僅關乎玻璃自身力學性能的優化,也對認識無序系統的力學失穩提供科學指導。傳統玻璃態材料(如氧化物玻璃)被認爲是理想的脆性材料,根據經典的固體斷裂力學理論,其脆性斷裂是通過原子鍵的依次斷裂進行,而不發生原子的塑性流動。但是,近年來不少研究提出了傳統脆性玻璃也有可能在微觀尺度上發生塑性流動的觀點。關于玻璃斷裂時能否發生塑性變形一直是學術界長期爭議的基本科學問題。

  玻璃家族的新成員,金屬玻璃(又稱非晶合金)不但具有優異的力學性能,也是研究玻璃態材料失穩斷裂的模型體系。金屬玻璃斷裂表面上可以呈現出豐富的,多尺度的圖案特征。如近年來在許多金屬玻璃的斷面上發現了納米尺度的周期性條紋。對這些斷面特征的研究不僅挑戰了人們對傳統的斷裂理論的認識,也揭示了遠離平衡態的無序固體體系力學失穩的複雜性和有序性。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展過程密切相關。但觸發災難性脆斷的裂紋是如何起源,又是如何擴展的?這已經成爲非晶態物理和材料領域內亟需回答的根本性問題之一。近年來,大量的理論和模擬工作預言了金屬玻璃斷裂過程中的空穴(cavitation)行爲,意識到空穴形成可能是主導金屬玻璃甚至其他非晶體系失穩斷裂的潛在機制。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爲代表的玻璃態材料的宏觀脆性斷裂中尚未得到確切的實驗證實。

  近期,中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心极端条件物理重点实验室EX4组博士生沈来权(现为松山湖材料实验室博士后)在白海洋研究員、孙保安副研究員和汪卫华院士的联合指导下,首次实验证实了玻璃材料断裂的空穴失稳机制。基于自主设计的倾斜压痕断裂方法,结合原子力显微技术实现了对金属玻璃裂纹扩展的高精度测量,在国际上首次实验观测到金属玻璃裂纹尖端的空穴化,揭示出空穴主导的裂纹扩展机制,呈现了以纳米孔洞形核、长大、连接有序进行的裂纹扩展方式(图1)。另外,实验给出了裂纹形貌由离散的孔洞到周期性纳米起伏结构的演化过程(图2),阐明了金属玻璃断裂表面上观察到的周期性纳米条纹形貌的起源,即断裂过程中有序进行的空穴行为。更进一步的观测发现对于典型的高分子玻璃(塑料)和氧化物玻璃(二氧化硅)均可表现出空穴失稳诱导的断面周期性纳米结构(图3),说明了不同玻璃体系断裂行为的共性和空穴失稳机制的普遍性。所揭示出的隐藏在玻璃灾难性断裂下的纳米空穴化现象也澄清了学术界的长期争议,明确了玻璃材料宏观脆性断裂过程中纳米尺度塑性流动的存在。

  玻璃斷裂的空穴行爲的發現,顛覆了傳統觀念中對玻璃固體脆性斷裂的固有認知,爲理解非晶態材料等無序複雜體系的力學失穩奠定了實驗基礎,也爲優化設計玻璃材料的力學性能提供了新思路。

  相關研究結果于3月31日在Science Advances上线发表。沈来权博士为論文的第一作者,白海洋研究員和孙保安副研究員为論文的共同通讯作者。上述研究工作得到了中科院战略性先导科技专项(XDB30000000),国家自然科学基金(52001220, 51822107, 11790291, 61999102,61888102),国家重点研发计划(2018YFA0703603)和广东省自然科学基金(2019B030302010)等的资助。

  文章鏈接:https://advances.sciencemag.org/content/7/14/eabf7293

附圖:


圖1.金屬玻璃中空穴主導的裂紋擴展機制。裂紋擴展以納米孔洞的形核、長大、連接有序進行。


圖2.裂紋形貌由分立納米孔洞到周期性納米起伏結構的演化。


图3. 高分子玻璃和氧化物玻璃中空穴行为诱导的断面周期性纳米结构图案。