【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】玻璃材料是一類非平衡態(tài)材料，涵蓋金屬玻璃、有機玻璃、硅酸鹽玻璃等多種類型，在各類工程領(lǐng)域中常作為結(jié)構(gòu)材料，并得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)這些玻璃結(jié)構(gòu)材料在恒定形變條件下服役時，會出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，即隨著服役時間的增長，應(yīng)力逐漸降低，從而顯著削弱材料的承載能力和穩(wěn)定性，影響構(gòu)件的服役期限。因此，研究提高玻璃材料抗應(yīng)力松弛的能力并開發(fā)有效策略，對于延長構(gòu)件在工程應(yīng)用中的使用壽命和提高其可靠性，具有重要的科學(xué)價值和實際應(yīng)用意義。
 

　　玻璃的機械性能與其能量狀態(tài)緊密相關(guān)。其中，玻璃在應(yīng)力松弛過程中的行為與退火過程中的老化現(xiàn)象相似，均涉及從高能量狀態(tài)到接近熱力學(xué)平衡態(tài)的過程。在對抗玻璃老化的研究領(lǐng)域，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校教授Kovacs于1963年提出了創(chuàng)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(tài)的先升后降。這種非常規(guī)的能量上升，即“年輕化”(rejuvenation)現(xiàn)象，被命名為Kovacs記憶效應(yīng)。近年來，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)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(fā)Kovacs記憶效應(yīng)的關(guān)鍵因素。基于此，是否可以通過雙步加載實現(xiàn)類似的應(yīng)力記憶效應(yīng)，從而提高玻璃材料抵抗應(yīng)力松弛的能力？
 

　　近日，寧波材料所非晶合金磁電功能特性團隊發(fā)現(xiàn)，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(yīng)變再加載低應(yīng)變，應(yīng)力將呈現(xiàn)先升高再降低現(xiàn)象。這種反常的應(yīng)力遞增現(xiàn)象為應(yīng)力記憶效應(yīng)(圖1)。在更大的預(yù)加載應(yīng)變和更高的溫度下，玻璃的記憶效應(yīng)強度Δσ更大，且應(yīng)力遞增的持續(xù)時間tp也更長(圖2)。同時，科研人員在不同玻璃中觀察到，記憶效應(yīng)強度Δσ隨預(yù)加載時間tw的增長呈現(xiàn)出由短時間不顯著到長時間快速增長的雙階段特征(圖3)。研究通過即時動力學(xué)分析及可逆弛豫分析發(fā)現(xiàn)，記憶效應(yīng)只有在大激活能的協(xié)同運動過程才顯著表現(xiàn)(圖4)。研究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(dǎo)的可逆β弛豫是應(yīng)力記憶效應(yīng)的本質(zhì)(圖5)。上述成果深化了先前關(guān)于大激活熵深度弛豫作為焓記憶效應(yīng)關(guān)鍵因素的理解，揭示了記憶效應(yīng)本質(zhì)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(guān)于記憶效應(yīng)中快弛豫成分的假設(shè)。第二階段恒應(yīng)變加載時出現(xiàn)的反常應(yīng)力遞增現(xiàn)象，可以顯著抵抗因應(yīng)力衰減導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失效。該工作為探討玻璃材料抵抗應(yīng)力松弛能力開辟了新路徑。
 

　　該研究由寧波材料所和西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)合作完成。相關(guān)研究成果以Strain-driven Kovacs-like memory effect in glasses為題，發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和寧波市等的支持。
 

　　圖1. 玻璃中的應(yīng)力記憶效應(yīng)。(a)雙步應(yīng)變加載(ε1 、ε2)示意圖；(b)固定應(yīng)變ε1=0.5%，不同ε2拉伸時TiZrHfCuNiBe金屬玻璃的應(yīng)力演化曲線，當(dāng)ε1>ε2時，應(yīng)力呈現(xiàn)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(yīng)變時，會誘發(fā)出反常應(yīng)力遞增現(xiàn)象—應(yīng)力記憶效應(yīng)。
 

　　圖2.更大的預(yù)加載應(yīng)變及溫度都會促進應(yīng)力記憶效應(yīng)，具有更大記憶效應(yīng)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(yīng)隨預(yù)加載時間tw呈現(xiàn)雙階段演化特征：即在較短的預(yù)加載時間內(nèi)，記憶效應(yīng)表現(xiàn)較為微弱；當(dāng)預(yù)加載時間超過某一特定閾值后，記憶效應(yīng)會迅速增強，達到相對較大的數(shù)值。
 

　　圖4. 預(yù)加載應(yīng)力松弛呈現(xiàn)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(xié)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(yīng)力記憶效應(yīng)的本征是由小原子主導(dǎo)的局域可逆β弛豫。