【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(jī)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，即隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，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(kāi)發(fā)有效策略，對(duì)于延長(zhǎng)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(jià)值和實(shí)際應(yīng)用意義。
玻璃的機(jī)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(guò)程中的行為與退火過(guò)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(guò)程。在對(duì)抗玻璃老化的研究領(lǐng)域，美國(guó)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(shí)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(lái)，中國(guó)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(tuán)隊(duì)進(jìn)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(guò)雙步加載實(shí)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(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)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?cè)偌虞d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(qiáng)度Δσ更大，且應(yīng)力遞增的持續(xù)時(shí)間tp也更長(zhǎng)(圖2)。同時(shí)，科研人員在不同玻璃中觀察到，記憶效應(yīng)強(qiáng)度Δσ隨預(yù)加載時(shí)間tw的增長(zhǎng)呈現(xiàn)出由短時(shí)間不顯著到長(zhǎng)時(shí)間快速增長(zhǎng)的雙階段特征(圖3)。研究通過(guò)即時(shí)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)程才顯著表現(xiàn)(圖4)。研究通過(guò)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(shí)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(kāi)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(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)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(shí)TiZrHfCuNiBe金屬玻璃的應(yīng)力演化曲線，當(dāng)ε1>ε2時(shí)，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(jī)玻璃中加載高—低雙步應(yīng)變時(shí)，會(huì)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(huì)促進(jìn)應(yīng)力記憶效應(yīng)，具有更大記憶效應(yīng)峰值時(shí)間tp和強(qiáng)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(shí)間tw呈現(xiàn)雙階段演化特征：即在較短的預(yù)加載時(shí)間內(nèi)，記憶效應(yīng)表現(xiàn)較為微弱；當(dāng)預(yù)加載時(shí)間超過(guò)某一特定閾值后，記憶效應(yīng)會(huì)迅速增強(qiáng)，達(dá)到相對(duì)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(shí)間為可逆弛豫具有較小的激活能，為β弛豫過(guò)程；長(zhǎng)時(shí)間為不可逆弛豫的協(xié)同運(yùn)動(dòng)過(guò)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。
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