J.Am.Ceram.Soc: 对化学强化铝硅酸盐玻璃裂纹萌生及扩展行为的新认识
【引言】
化学强化铝硅酸盐玻璃作为制备电子设备触摸屏和飞机风挡玻璃的主要材料，其抵抗表面裂纹萌生及扩展能力与其强度及使用可靠性息息相关。压痕法是研究表面裂纹萌生及扩展行为的有效方法。压痕过程产生的多种裂纹中，径向裂纹被认为是控制材料强度的主要裂纹，研究径向裂纹萌生及扩展行为对于指导化学强化玻璃制备、提高玻璃强度有重要意义。目前大部分有关压痕裂纹萌生及扩展行为的研究均基于轴线与面夹角（centerline-to-face angle）为68°的四棱锥维氏压头（Vickers Indenter）和65.3°的三棱锥玻氏压头（Berkovich Indenter）。然而，维氏压头与玻氏压头对材料存在固有的尺寸限制，其产生裂纹的门槛值较高，当压入载荷低于门槛值时，无法产生裂纹，一旦载荷高于此门槛值，裂纹会迅速扩展，因此被测样品尺寸需足够大。此外，较高的门槛值导致压入载荷提高，造成压入深度增大，无法研究材料表面的裂纹萌生及扩展行为。克服门槛值带来的材料尺寸限制的方法之一是增加压头的尖锐程度，即采用轴线与面夹角更小的立方角压头（Cube-corner Indenter）。立方角压头轴线与面夹角仅为35.3°，其压头体积比维氏及玻氏压头小三倍左右，在相同载荷下能够产生更大的应力和应变。因此，材料在立方角压头下的裂纹萌生门槛值显著降低，更适合于研究小尺寸样品或材料表层的力学行为。
前期有关玻璃裂纹萌生及扩展行为的大部分研究均基于原片玻璃和维氏压头，而对化学强化铝硅酸盐玻璃在立方角压头下的裂纹萌生行为的理解明显不足。此外，对于由浮法玻璃空气面和锡面结构及组分不同导致的裂纹萌生行为的差异也缺乏深入的认识。
【成果简介】
近日，来自北京航空材料研究院的颜悦研究员领导的航空透明件研究团队在J.Am.Ceram.Soc.上以Full-length Article的形式发表了一篇题为“New insights into nanoindentation crack initiation in ion-exchanged sodium aluminosilicate glass”的文章。该文章中研究人员首先发展了基于立方角压头的化学强化铝硅酸盐玻璃表面裂纹萌生驱动力的计算模型。然后采用纳米压痕技术获得了玻璃的径向裂纹萌生门槛值和裂纹长度，通过原位扫描探针系统获得了玻璃空气面和锡面的压痕形貌。研究发现采用立方角压头进行压痕实验时，原片铝硅酸盐玻璃径向裂纹萌生门槛值高于化学强化铝硅酸盐玻璃，压入载荷较大时，原片铝硅酸盐玻璃表面径向裂纹长度明显大于化学强化铝硅酸盐玻璃，说明表面压应力能够显著抑制径向裂纹扩展；同时发现铝硅酸盐玻璃空气面径向裂纹萌生门槛值高于锡面。最后研究人员根据断裂韧性模型计算了化学强化铝硅酸盐玻璃表面残余应力值，首次给出了适用于立方角压头的裂纹形状参数，计算结果与光弹法测量结果吻合的很好。该文章的第一作者为李晓宇博士，通讯作者为颜悦研究员、姜良宝高工和帝国理工学院John Dear教授。
【图文导读】
图1 化学强化铝硅酸盐玻璃表面压应力（a）和应力层深度（b）随离子交换时间的变化
（a）表面压应力随离子交换时间的变化
（b）应力层深度随离子交换时间的变化
图2 原片铝硅酸盐玻璃和化学强化铝硅酸盐玻璃的典型压痕载荷-位移曲线
（a）立方角压头
（b）玻氏压头
图3 原片铝硅酸盐玻璃和化学强化12 h铝硅酸盐玻璃空气面典型压痕形貌图
图4 化学强化前后径向裂纹萌生概率随压痕载荷的变化
（a）原片玻璃空气面
（b）原片玻璃锡面
（c）强化12h玻璃空气面
（d）强化12h玻璃锡面
（e）强化48h玻璃空气面
（f）强化48h玻璃锡面
图5 径向裂纹萌生门槛值随化学强化时间的变化
图6 压入载荷为9.5 mN时径向裂纹长度随化学强化时间的变化
图7 原片铝硅酸盐玻璃和化学强化铝硅酸盐玻璃的硬度和杨氏模量随离子交换时间的变化
（a）硬度随离子交换时间的变化
（b）杨氏模量随离子交换时间的变化
图8 径向裂纹驱动力在压痕实验过程中的变化
（a）fE/H=0
（b）fE/H=0.073
（c）fE/H=0.126
（d）fE/H=0.440
【小结】
该团队发展了化学强化铝硅酸盐玻璃表面裂纹萌生驱动力的计算模型，并首次提出了适用于立方角压头的裂纹形状参数。系统揭示了化学强化铝硅酸盐玻璃表面裂纹萌生及扩展行为。研究结果推动了工业界和学术界对化学强化铝硅酸盐玻璃裂纹萌生及扩展行为的理解和认识，对于提升铝硅酸盐玻璃制品的可靠性以及开发高强度玻璃具有重要的科学价值。
文献链接：New insights into nanoindentation crack initiation in ion-exchanged sodium aluminosilicate glass（J.Am.Ceram.Soc，2018，DOI:10.1111/jace.15465）
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