J.Am.Ceram.Soc: 對化學強化鋁硅酸鹽玻璃裂紋萌生及擴展行為的新認識
【引言】
化學強化鋁硅酸鹽玻璃作為制備電子設備觸摸屏和飛機風擋玻璃的主要材料，其抵抗表面裂紋萌生及擴展能力與其強度及使用可靠性息息相關。壓痕法是研究表面裂紋萌生及擴展行為的有效方法。壓痕過程產生的多種裂紋中，徑向裂紋被認為是控制材料強度的主要裂紋，研究徑向裂紋萌生及擴展行為對于指導化學強化玻璃制備、提高玻璃強度有重要意義。目前大部分有關壓痕裂紋萌生及擴展行為的研究均基于軸線與面夾角（centerline-to-face angle）為68°的四棱錐維氏壓頭（Vickers Indenter）和65.3°的三棱錐玻氏壓頭（Berkovich Indenter）。然而，維氏壓頭與玻氏壓頭對材料存在固有的尺寸限制，其產生裂紋的門檻值較高，當壓入載荷低于門檻值時，無法產生裂紋，一旦載荷高于此門檻值，裂紋會迅速擴展，因此被測樣品尺寸需足夠大。此外，較高的門檻值導致壓入載荷提高，造成壓入深度增大，無法研究材料表面的裂紋萌生及擴展行為。克服門檻值帶來的材料尺寸限制的方法之一是增加壓頭的尖銳程度，即采用軸線與面夾角更小的立方角壓頭（Cube-corner Indenter）。立方角壓頭軸線與面夾角僅為35.3°，其壓頭體積比維氏及玻氏壓頭小三倍左右，在相同載荷下能夠產生更大的應力和應變。因此，材料在立方角壓頭下的裂紋萌生門檻值顯著降低，更適合于研究小尺寸樣品或材料表層的力學行為。
前期有關玻璃裂紋萌生及擴展行為的大部分研究均基于原片玻璃和維氏壓頭，而對化學強化鋁硅酸鹽玻璃在立方角壓頭下的裂紋萌生行為的理解明顯不足。此外，對于由浮法玻璃空氣面和錫面結構及組分不同導致的裂紋萌生行為的差異也缺乏深入的認識。
【成果簡介】
近日，來自北京航空材料研究院的顏悅研究員領導的航空透明件研究團隊在J.Am.Ceram.Soc.上以Full-length Article的形式發表了一篇題為“New insights into nanoindentation crack initiation in ion-exchanged sodium aluminosilicate glass”的文章。該文章中研究人員首先發展了基于立方角壓頭的化學強化鋁硅酸鹽玻璃表面裂紋萌生驅動力的計算模型。然后采用納米壓痕技術獲得了玻璃的徑向裂紋萌生門檻值和裂紋長度，通過原位掃描探針系統獲得了玻璃空氣面和錫面的壓痕形貌。研究發現采用立方角壓頭進行壓痕實驗時，原片鋁硅酸鹽玻璃徑向裂紋萌生門檻值高于化學強化鋁硅酸鹽玻璃，壓入載荷較大時，原片鋁硅酸鹽玻璃表面徑向裂紋長度明顯大于化學強化鋁硅酸鹽玻璃，說明表面壓應力能夠顯著抑制徑向裂紋擴展；同時發現鋁硅酸鹽玻璃空氣面徑向裂紋萌生門檻值高于錫面。最后研究人員根據斷裂韌性模型計算了化學強化鋁硅酸鹽玻璃表面殘余應力值，首次給出了適用于立方角壓頭的裂紋形狀參數，計算結果與光彈法測量結果吻合的很好。該文章的第一作者為李曉宇博士，通訊作者為顏悅研究員、姜良寶高工和帝國理工學院John Dear教授。
【圖文導讀】
圖1 化學強化鋁硅酸鹽玻璃表面壓應力（a）和應力層深度（b）隨離子交換時間的變化
（a）表面壓應力隨離子交換時間的變化
（b）應力層深度隨離子交換時間的變化
圖2 原片鋁硅酸鹽玻璃和化學強化鋁硅酸鹽玻璃的典型壓痕載荷-位移曲線
（a）立方角壓頭
（b）玻氏壓頭
圖3 原片鋁硅酸鹽玻璃和化學強化12 h鋁硅酸鹽玻璃空氣面典型壓痕形貌圖
圖4 化學強化前后徑向裂紋萌生概率隨壓痕載荷的變化
（a）原片玻璃空氣面
（b）原片玻璃錫面
（c）強化12h玻璃空氣面
（d）強化12h玻璃錫面
（e）強化48h玻璃空氣面
（f）強化48h玻璃錫面
圖5 徑向裂紋萌生門檻值隨化學強化時間的變化
圖6 壓入載荷為9.5 mN時徑向裂紋長度隨化學強化時間的變化
圖7 原片鋁硅酸鹽玻璃和化學強化鋁硅酸鹽玻璃的硬度和楊氏模量隨離子交換時間的變化
（a）硬度隨離子交換時間的變化
（b）楊氏模量隨離子交換時間的變化
圖8 徑向裂紋驅動力在壓痕實驗過程中的變化
（a）fE/H=0
（b）fE/H=0.073
（c）fE/H=0.126
（d）fE/H=0.440
【小結】
該團隊發展了化學強化鋁硅酸鹽玻璃表面裂紋萌生驅動力的計算模型，并首次提出了適用于立方角壓頭的裂紋形狀參數。系統揭示了化學強化鋁硅酸鹽玻璃表面裂紋萌生及擴展行為。研究結果推動了工業界和學術界對化學強化鋁硅酸鹽玻璃裂紋萌生及擴展行為的理解和認識，對于提升鋁硅酸鹽玻璃制品的可靠性以及開發高強度玻璃具有重要的科學價值。
文獻鏈接：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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