超强激光科学卓越创新简报
(第六百十二期)
2025年3月7日
上海光机所纳米多孔氧化物玻璃的变形机制研究取得进展
近日，中国科学院上海光学精密机械研究所张龙研究员和何进研究员团队与武汉理工大学伍冬博士合作，在纳米多孔氧化物玻璃的变形机制研究方面取得进展。该研究通过纳米压痕和有限元模拟技术，深入探讨了不同孔隙结构和化学组成对纳米多孔氧化物玻璃的机械性能和变形行为的影响。研究团队在硅酸盐（SA）和磷酸盐（AP）两种类型的纳米多孔玻璃中，发现孔隙大小和孔隙率与硬度、弹性模量等机械性能之间存在显著的线性关系。相关成果以“Deformation Mechanisms of Nanoporous Oxide Glasses: Indentations and Finite Element Simulation”为题，发表在Acta Materialia上。
纳米多孔玻璃由于其优异的热稳定性、化学稳定性及可调的孔隙结构，已广泛应用于传感器、光学器件及医学领域。然而，传统的成型工艺对这种材料的加工限制较大，难以满足复杂几何结构的需求。研究人员采用先进的纳米压痕技术，结合有限元模拟，成功揭示了不同孔隙率和孔隙尺寸对纳米多孔玻璃的弹塑性变形行为的影响。研究表明，具有较大孔隙（6~10 nm）的磷酸盐玻璃相较于硅酸盐玻璃，表现出更强的塑性变形和更大的裂纹扩展，揭示了纳米多孔玻璃在高应力下的复杂变形机制。
此外，研究团队还通过测量应变率敏感性和激活体积，进一步分析了这些玻璃的变形行为。结果显示，在纳米尺度下，孔隙的存在对其变形产生了重要影响，尤其是在拉伸和压缩过程中，孔隙结构不仅影响了玻璃的硬度和弹性模量，还决定了其裂纹的扩展方式。该研究为开发具有更好机械性能的纳米多孔玻璃提供了理论依据，并为未来固态照明、柔性电子等高端应用材料的设计提供了新思路。
相关工作得到了国家自然科学基金委面上项目、中国科学院引才计划等项目的支持。
图1. SiO₂玻璃、纳米多孔玻璃（SA和AP）的网络结构，以及使用贝尔科维奇压头和维氏压头在这些玻璃上留下的残余压痕。
图2. 纳米压痕测试的载荷-位移曲线：（a）典型玻璃的测试，（b）所有多孔玻璃样品的测试；（c）标准化的弹性模量 E/E₀，（d）标准化的硬度 H/H₀。
图3. （a）石英玻璃和多孔玻璃的应力场，显示从弹塑性区到弹性区的外向衰减趋势，（b）x轴方向的应力场，（c）y轴方向的应力场，均在压痕下方测得。
