【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海光學精密機械研究所張龍研究員和何進研究員團隊與武漢理工大學伍冬博士合作，在納米多孔氧化物玻璃的變形機制研究方面取得進展。該研究通過納米壓痕和有限元模擬技術，深入探討了不同孔隙結構和化學組成對納米多孔氧化物玻璃的機械性能和變形行為的影響。研究團隊在硅酸鹽(SA)和磷酸鹽(AP)兩種類型的納米多孔玻璃中，發現孔隙大小和孔隙率與硬度、彈性模量等機械性能之間存在顯著的線性關系。相關成果以“Deformation Mechanisms of Nanoporous Oxide Glasses: Indentations and Finite Element Simulation”為題，發表在Acta Materialia上。
納米多孔玻璃由于其優異的熱穩定性、化學穩定性及可調的孔隙結構，已廣泛應用于傳感器、光學器件及醫學領域。然而，傳統的成型工藝對這種材料的加工限制較大，難以滿足復雜幾何結構的需求。研究人員采用先進的納米壓痕技術，結合有限元模擬，成功揭示了不同孔隙率和孔隙尺寸對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，表現出更強的塑性變形和更大的裂紋擴展，揭示了納米多孔玻璃在高應力下的復雜變形機制。
此外，研究團隊還通過測量應變率敏感性和激活體積，進一步分析了這些玻璃的變形行為。結果顯示，在納米尺度下，孔隙的存在對其變形產生了重要影響，尤其是在拉伸和壓縮過程中，孔隙結構不僅影響了玻璃的硬度和彈性模量，還決定了其裂紋的擴展方式。該研究為開發具有更好機械性能的納米多孔玻璃提供了理論依據，并為未來固態照明、柔性電子等高端應用材料的設計提供了新思路。
相關工作得到了國家自然科學基金委面上項目、中國科學院引才計劃等項目的支持。
圖1. SiO?玻璃、納米多孔玻璃(SA和AP)的網絡結構，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. 納米壓痕測試的載荷-位移曲線：(a)典型玻璃的測試，(b)所有多孔玻璃樣品的測試；(c)標準化的彈性模量 E/E?，(d)標準化的硬度 H/H?。
圖3. (a)石英玻璃和多孔玻璃的應力場，顯示從彈塑性區到彈性區的外向衰減趨勢，(b)x軸方向的應力場，(c)y軸方向的應力場，均在壓痕下方測得。
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