《Nature Materials》：玻璃不再脆？一种玻璃材料的增韧新机制

　　原标题：《Nature Materials》：玻璃不再脆？一种玻璃材料的增韧新机制

　　近日，北京高压科学研究中心客座教授生红卫研究团队联合德国拜罗伊特大学唐虎博士（现吉林大学综合极端条件高压科学中心全职教师）和Tomoo Katsura教授、浙江大学肖文戈博士、厦门大学王鸣生教授、南方科技大学韩松柏教授、南京理工大学陈光教授以及德国同步辐射DESY的Martin Etter博士提出了一种玻璃材料的增韧新机制——次晶化增韧：通过次晶化调控玻璃材料的近中程有序结构，增加玻璃材料的类晶体中程有序结构。利用大腔体压机技术高温高压退火钙铝石榴石玻璃成功制备出具有高韧性的次晶态钙铝石榴石玻璃。高韧性次晶态氧化物玻璃的制备有望为脆性的玻璃材料提供一种新的韧化方式，并且为理解玻璃材料原子级结构对其性能的影响具有深远影响。该项工作以“Toughening Oxide Glasses through Paracrystallization”为题发表在顶尖科学杂志Nature Materials上。

　　不同于晶体材料，由于缺失微观组织可调控的韧化机制（例如裂纹偏转、裂纹桥连等），非晶材料的韧性和延展性往往远低于晶体材料，特别是应用最广泛的无机氧化物玻璃。即使著名的手机屏幕材料——康宁大猩猩玻璃6代，其韧性也仅为0.7 MPa·m1/2。断裂韧性常用于表征材料对于裂纹产生和传播的阻碍能力。低的断裂韧性致使材料在远低于理论临界应力作用下出现断裂，氧化物玻璃的实际强度远低于其理论值。因此，提升非晶材料的韧性特别是氧化物玻璃的韧性对于扩展其实际应用至关重要。

　　该研究团在高温高压条件下对钙铝石榴石玻璃进行退火处理，成功制备出具有高韧性的次晶态钙铝石榴石玻璃，并使用X射线衍射、拉曼散射、透射电子显微镜以及先进的分子动力学模拟进行了深入分析。高分辨透射电子显微图以及理论模拟（图1-2）显示高温高压处理得到的高密度玻璃为次晶态，次晶化导致样品的整体密度的增加，局部出现的团簇密度接近晶体的钙铝石榴石。

　　“钙铝石榴石玻璃态和晶体态的近程序结构是不同的”, 唐虎博士解释。“拉曼结果显示，随着次晶化的程度增加，玻璃态的近程结构Al-O-Al和Si-O-Si结构逐步消失，向晶体的近程结构发生转变。同时，次晶化增加了Cr掺杂的钙铝石榴石玻璃的荧光性。”

　　图2 理论模拟的初始态玻璃（a、b）和次晶态（c、d）钙铝石榴石的高分辨透射电子显微图和密度分布图。

　　次晶化导致钙铝石榴石玻璃的整体力学性能出现明显的增加。如图3，当压力增加到15 GPa，和初始玻璃相比，次晶态玻璃的弹性模量增了30%, 其断裂韧性增加了两倍：从初始的0.66 MPa·m1/2增加到了1.99 MPa·m1/2，目前报道的块体氧化物玻璃中的最高断裂韧性。由于断裂韧性的显著增加，次晶态钙铝石榴石的宏观压缩强度增加了~2.4倍，与此同时，其光学透过与初始玻璃相比几乎没有衰减。

　　“通过分析对比次晶态和初始玻璃的断裂行为（图4），我们发现次晶态钙铝石榴石玻璃断裂面出现了明显的剪切带形貌和裂纹桥连，这意味着在外部应力诱导下次晶态氧化物玻璃出现了微观的塑性变形”。生红卫教授解释。“结构分析显示应力诱导的塑性变形可能来源于应力驱动的从高有序度的次晶态到低有序度的初始玻璃态转变, 应力下的微区塑性变形可以在裂纹扩展时消耗机械能同时重新分配裂纹尖端应力从而导致韧性增加。”

　　该工作由北京高压科学研究中心、德国拜罗伊特大学、浙江大学、吉林大学、美国乔治梅森大学、宁波大学、厦门大学、南方科技大学、南京理工大学、德国同步辐射DESY共同完成。第一作者为唐虎博士，通讯作者为唐虎博士、肖文戈博士和生红卫教授，合作者有程勇博士、袁晓红博士、张凯博士、Alexander Kurnosov博士、陈真博士、Henrik S. Jeppesen博士、Martin Etter博士、梁涛博士、曾徵丹研究员、王霏博士、费宏展博士、王林博士、韩松柏教授、王鸣生教授、陈光教授和Tomoo Katsura教授。该项目得到国家自然科学基金，欧洲ERC和德国洪堡博士后研究基金等支持。