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分子动力学模拟揭示Li?O-2SiO?玻璃陶瓷中裂纹扩展的原子图像

DOI：10.1111/jace.17183 期刊：Journal of the American Ceramic Society 出版年份：2020 更新时间：2025-09-23 15:21:01
摘要： 对于锂硅酸盐玻璃陶瓷而言，其玻璃相与陶瓷相在运动裂纹作用下的基本相互作用机制，以及裂纹扩展相较于原始母体玻璃被阻碍或改变的机理仍不明确。本文通过大量分子动力学模拟揭示了实验极难探测的原子级细节。结果表明：玻璃陶瓷中的裂纹扩展路径与原始母体玻璃存在显著差异。在玻璃样品中，洁净裂纹分支似乎由裂纹尖端前方的多重空化事件触发；而在玻璃陶瓷样品中，分支特征表现为玻璃-纳米晶界面处的微裂纹、沿特定晶面的洁净纳米晶解理，甚至因多重微裂纹贯通产生的次生裂纹。此外，纳米晶分布、总体积分数及长径比等因素对主裂纹扩展具有显著影响，可导致截然不同的裂纹形貌模式。
作者： Binghui Deng，Jason T. Harris，Jian Luo
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

研究玻璃相与陶瓷相在运行裂纹中的相互作用，以及二硅酸锂玻璃陶瓷中裂纹扩展受阻或改变的机制。

研究成果

与原始母体玻璃相比，玻璃陶瓷中的裂纹扩展方式存在显著差异。在玻璃样品中，干净的裂纹分支似乎是由裂纹尖端前方的多次空化事件触发的；而在玻璃陶瓷中，裂纹通过多个玻璃-纳米晶界面处的微裂纹、沿特定晶面的干净纳米晶解理，甚至因多个微裂纹渗透产生的次生裂纹进行扩展。这些额外的裂纹特征促进了裂纹扩展过程中的能量耗散，使得玻璃陶瓷通常比玻璃更具韧性。

研究不足

生成的玻璃陶瓷样品的微观结构由于原子尺度模拟的各种局限性，未能准确还原真实实验样品。此外，在当前模拟设置下，插入纳米晶体的算法技术上极具挑战性，难以制备出具有极高纳米晶体体积分数的样品。

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