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      Nature Communications|寧波材料所在玻璃態物質的應力記憶效應方面取得重要進展

      文章來源:寧波材料技術與工程研究所  |  發布時間:2023-12-21  |  【打印】 【關閉

        

        玻璃材料是一類非平衡態材料,涵蓋了金屬玻璃、有機玻璃、硅酸鹽玻璃等多種類型,在各類工程領域中常作為結構材料得到了廣泛應用。當這些玻璃結構材料在恒定形變條件下服役時,會出現應力松弛現象,即隨著服役時間的增長,應力逐漸降低,從而顯著削弱材料的承載能力和穩定性,嚴重影響構件的服役期限。因此,研究提高玻璃材料抗應力松弛的能力并開發有效策略,對于延長構件在工程應用中的使用壽命和提高其可靠性,具有極其重要的科學價值和實際應用意義。

        玻璃的機械性能與其能量狀態緊密相關,其中,玻璃在應力松弛過程中的行為與退火過程中的老化現象極為相似,均涉及從高能量狀態到接近熱力學平衡態的過程。在對抗玻璃老化的研究領域,美國威斯康星大學麥迪遜分校的Kovacs教授于1963年提出了一種創新的雙步退火方法:先低溫退火,再高溫退火。這一方法被證實能夠引起玻璃能量狀態的先升后降。這種非常規的能量上升,即“年輕化”(rejuvenation)現象,被命名為Kovacs記憶效應。近年來,中國科學院寧波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能特性團隊進一步揭示了深度弛豫和較大的激活熵是觸發Kovacs記憶效應的關鍵因素(Physical Review Letters,2020,125(13): 35501)?;诖?,是否可以通過雙步加載實現類似的應力記憶效應,從而提高玻璃材料抵抗應力松弛的能力?

        最近,寧波材料所非晶合金磁電功能特性團隊研究發現對不同玻璃材料(鐵基、鈦基金屬玻璃以及PVC高分子玻璃)先加載高應變再加載低應變,應力將呈現先升高再降低現象,這種反常的應力遞增現象為應力記憶效應(如圖1)。在更大的預加載應變和更高的溫度下,玻璃的記憶效應強度Δσ更大,且應力遞增的持續時間tp也更長(如圖2)。同時在不同玻璃中觀察到,記憶效應強度Δσ隨預加載時間tw的增長呈現出由短時間不顯著到長時間快速增長的雙階段特征(如圖3)。通過即時動力學分析及可逆弛豫分析發現記憶效應只有在大激活能的協同運動過程才顯著表現(如圖4)。最后通過原位拉伸高能同步輻射和可逆滯彈性弛豫分析揭示,由小原子主導的可逆β弛豫是應力記憶效應的本質(如圖5)。上述研究成果不僅深化了先前關于大激活熵深度弛豫作為焓記憶效應關鍵因素的理解(Physical Review Letters,2020,125(13):135501),而且揭示了記憶效應本質上是可逆β弛豫的物理圖形,有效支持了Tool-Narayanaswamy-Moynihan(TNM)和Amir-Oreg-Imry (AOI)等唯象模型中關于記憶效應中快弛豫成分的假設。第二階段恒應變加載時出現的反常應力遞增現象,可以顯著抵抗因應力衰減導致的結構失效。該工作為研究玻璃材料抵抗應力松弛能力開辟了新路徑,相關成果以“Strain-driven Kovacs-like memory effect in glasses”為題發表在Nature Communications上(DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-44187-x)。

        該研究論文的第一作者為寧波材料所童鈺博士后,通訊作者為寧波材料所王軍強研究員和宋麗建副研究員,以及西班牙加泰羅尼亞理工大學的Eloi Pineda教授。合作作者包含寧波材料所高玉蓉碩士研究生、水曉雪高級實驗師、張巖研究員、高萌研究員、霍軍濤研究員;中國科學院高能物理研究所樊龍龍博士、楊一鳴副研究員、默廣副研究員;中國科學院物理研究所李福成博士、柳延輝研究員;西北工業大學喬吉超教授。該研究工作得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃、寧波市等項目的支持。

        圖1 玻璃中的應力記憶效應。(a)雙步應變加載(ε1 、ε2)示意圖;(b)固定應變ε1=0.5%,不同ε2拉伸時TiZrHfCuNiBe金屬玻璃的應力演化曲線,當ε1>ε2時,應力呈現先遞增再遞減;(c)在鐵基、鈦基金屬玻璃以及PVC有機玻璃中加載高—低雙步應變時,會誘發出反常應力遞增現象—應力記憶效應

        圖2 更大的預加載應變及溫度都會促進應力記憶效應,具有更大記憶效應峰值時間tp和強度Δσ

        圖3 在三種玻璃材料中均觀察到記憶效應隨預加載時間tw呈現雙階段演化特征:即在較短的預加載時間內,記憶效應表現較為微弱;當預加載時間超過某一特定閾值后,記憶效應會迅速增強,達到相對較大的數值

        圖4 預加載應力松弛呈現雙階段,短時間為可逆弛豫具有較小的激活能,為β弛豫過程;長時間為不可逆弛豫的協同運動過程,具有較大的激活能

        圖5 原位拉伸高能同步輻射和可逆滯彈性弛豫分析,揭示應力記憶效應的本征是由小原子主導的局域可逆β弛豫

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