X射线相衬成像原位定量研究锂偏硅酸盐微晶玻璃动态断裂的微观结构调控机制

《Journal of the American Ceramic Society》：Quantitative in situ studies of dynamic fracture in a lithium metasilicate glass-ceramic by x-ray phase contrast imaging

本研究通过时间分辨X射线相衬成像技术，首次对锂偏硅酸盐微晶玻璃在动态三点弯曲载荷下的裂纹扩展行为进行原位观测。来自约翰斯·霍普金斯大学等机构的研究团队发现，尽管材料宏观力学性能相近，但不同微观结构会显著影响裂纹速度（最高达500 m/s）和断裂形貌。该工作揭示了裂纹-晶粒相互作用（如穿晶断裂）机制，为异质材料断裂模型的多尺度研究提供了新范式。

　　

通过受控结晶工艺制备的微晶玻璃（glass-ceramics），其力学性能高度依赖于微观结构特征。尽管准静态载荷下的性能研究已较为充分，但动态断裂行为的研究仍存在空白。本研究选取具有不同微观结构但宏观力学性能相近的锂偏硅酸盐（lithium metasilicate）微晶玻璃，在动态三点弯曲（three-point-bend）加载条件下，采用时间分辨X射线相衬成像（time-resolved x-ray phase contrast imaging）技术原位捕捉裂纹萌生与扩展过程。定量分析表明：不同微观结构试样的裂纹尖端速度演化存在显著差异，这一现象无法通过线性弹性断裂力学（linear elastic fracture mechanics）理论的均质化模型进行预测。

结合扫描电子显微镜（scanning electron microscopy）和白光干涉仪（white light interferometry）对断口形貌的后续分析发现，裂纹与晶粒间存在强烈相互作用（如穿晶断裂trans-granular fracture），且较低的裂纹速度与较高的断裂表面粗糙度呈正相关。该研究证实了微晶玻璃断裂行为的微观结构调控机制，提出了异质材料断裂建模中材料非均匀性与均质化处理的多尺度耦合问题。

（注：根据原文内容，本研究由Corning Inc.资助，涉及作者包括Xinyi Xu、Charlene Smith等企业研究人员，但未明确标注第一作者单位信息）