【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所張龍研究員和何進(jìn)研究員團(tuán)隊(duì)與武漢理工大學(xué)伍冬博士合作，在納米多孔氧化物玻璃的變形機(jī)制研究方面取得進(jìn)展。該研究通過納米壓痕和有限元模擬技術(shù)，深入探討了不同孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成對(duì)納米多孔氧化物玻璃的機(jī)械性能和變形行為的影響。研究團(tuán)隊(duì)在硅酸鹽(SA)和磷酸鹽(AP)兩種類型的納米多孔玻璃中，發(fā)現(xiàn)孔隙大小和孔隙率與硬度、彈性模量等機(jī)械性能之間存在顯著的線性關(guān)系。相關(guān)成果以“Deformation Mechanisms of Nanoporous Oxide Glasses: Indentations and Finite Element Simulation”為題，發(fā)表在Acta Materialia上。
 

　　納米多孔玻璃由于其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性及可調(diào)的孔隙結(jié)構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于傳感器、光學(xué)器件及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的成型工藝對(duì)這種材料的加工限制較大，難以滿足復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的需求。研究人員采用先進(jìn)的納米壓痕技術(shù)，結(jié)合有限元模擬，成功揭示了不同孔隙率和孔隙尺寸對(duì)納米多孔玻璃的彈塑性變形行為的影響。研究表明，具有較大孔隙(6~10 nm)的磷酸鹽玻璃相較于硅酸鹽玻璃，表現(xiàn)出更強(qiáng)的塑性變形和更大的裂紋擴(kuò)展，揭示了納米多孔玻璃在高應(yīng)力下的復(fù)雜變形機(jī)制。
 

　　此外，研究團(tuán)隊(duì)還通過測(cè)量應(yīng)變率敏感性和激活體積，進(jìn)一步分析了這些玻璃的變形行為。結(jié)果顯示，在納米尺度下，孔隙的存在對(duì)其變形產(chǎn)生了重要影響，尤其是在拉伸和壓縮過程中，孔隙結(jié)構(gòu)不僅影響了玻璃的硬度和彈性模量，還決定了其裂紋的擴(kuò)展方式。該研究為開發(fā)具有更好機(jī)械性能的納米多孔玻璃提供了理論依據(jù)，并為未來固態(tài)照明、柔性電子等高端應(yīng)用材料的設(shè)計(jì)提供了新思路。
 

　　相關(guān)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委面上項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院引才計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
 

　　圖1. SiO?玻璃、納米多孔玻璃(SA和AP)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以及使用貝爾科維奇壓頭和維氏壓頭在這些玻璃上留下的殘余壓痕。
 

　　圖2. 納米壓痕測(cè)試的載荷-位移曲線：(a)典型玻璃的測(cè)試，(b)所有多孔玻璃樣品的測(cè)試；(c)標(biāo)準(zhǔn)化的彈性模量 E/E?，(d)標(biāo)準(zhǔn)化的硬度 H/H?。
 

　　圖3. (a)石英玻璃和多孔玻璃的應(yīng)力場(chǎng)，顯示從彈塑性區(qū)到彈性區(qū)的外向衰減趨勢(shì)，(b)x軸方向的應(yīng)力場(chǎng)，(c)y軸方向的應(yīng)力場(chǎng)，均在壓痕下方測(cè)得。