近日，中科院上海光機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(shù)，深入探討了不同孔隙結(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)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(guān)系。相關(guān)成果以“Deformation Mechanisms of Nanoporous Oxide Glasses: Indentations and Finite Element Simulation”為題，發(fā)表在Acta Materialia上。

納米多孔玻璃由于其優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性及可調(diào)的孔隙結(jié)構(gòu)，已廣泛應(yīng)用于傳感器、光學器件及醫(yī)學領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)的需求。研究人員采用先進的納米壓痕技術(shù)，結(jié)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(xiàn)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(yīng)力下的復雜變形機制。

此外，研究團隊還通過測量應(yīng)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(jié)果顯示，在納米尺度下，孔隙的存在對其變形產(chǎn)生了重要影響，尤其是在拉伸和壓縮過程中，孔隙結(jié)構(gòu)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(fā)具有更好機械性能的納米多孔玻璃提供了理論依據(jù)，并為未來固態(tài)照明、柔性電子等高端應(yīng)用材料的設(shè)計提供了新思路。

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圖1.SiO₂玻璃、納米多孔玻璃（SA和AP）的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，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。

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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/E₀，（d）標準化的硬度 H/H₀。

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圖3.（a）石英玻璃和多孔玻璃的應(yīng)力場，顯示從彈塑性區(qū)到彈性區(qū)的外向衰減趨勢，（b）x軸方向的應(yīng)力場，（c）y軸方向的應(yīng)力場，均在壓痕下方測得。

相關(guān)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。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120779