玻璃是怎么斷裂的？

玻璃是我們日常生產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）被認為是理想的脆性材料，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復雜性和有序性。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？這已經成為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）行為，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為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極端條件物理重點實驗室EX4組博士生沈來權（現為松山湖材料實驗室博士后）在白海洋研究員、孫保安副研究員和汪衛華院士的聯合指導下，首次實驗證實了玻璃材料斷裂的空穴失穩機制。基于自主設計的傾斜壓痕斷裂方法，結合原子力顯微技術實現了對金屬玻璃裂紋擴展的高精度測量，在國際上首次實驗觀測到金屬玻璃裂紋尖端的空穴化，揭示出空穴主導的裂紋擴展機制，呈現了以納米孔洞形核、長大、連接有序進行的裂紋擴展方式（圖1）。

 

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

 

另外，實驗給出了裂紋形貌由離散的孔洞到周期性納米起伏結構的演化過程（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，即斷裂過程中有序進行的空穴行為。

 

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

 

更進一步的觀測發現對于典型的高分子玻璃（塑料）和氧化物玻璃（二氧化硅）均可表現出空穴失穩誘導的斷面周期性納米結構（圖3），說明了不同玻璃體系斷裂行為的共性和空穴失穩機制的普遍性。所揭示出的隱藏在玻璃災難性斷裂下的納米空穴化現象也澄清了學術界的長期爭議，明確了玻璃材料宏觀脆性斷裂過程中納米尺度塑性流動的存在。

 

圖3.高分子玻璃和氧化物玻璃中空穴行為誘導的斷面周期性納米結構圖案

 

玻璃斷裂的空穴行為的發現，顛覆了傳統觀念中對玻璃固體脆性斷裂的固有認知，為理解非晶態材料等無序復雜體系的力學失穩奠定了實驗基礎，也為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上線發表。沈來權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略性先導科技專項(XDB30000000)，國家自然科學基金(52001220,51822107,11790291,61999102，61888102)，國家重點研發計劃(2018YFA0703603)和廣東省自然科學基金(2019B030302010)等的資助。