应力场调控的锂铝硅玻璃离子交换裂纹扩展微观结构演化分子动力学模拟研究

来自科研团队的研究人员通过分子动力学模拟，系统研究了Li+–Na+和Na+–K+离子交换对锂铝硅玻璃微观结构与裂纹行为的影响。研究发现离子交换后玻璃网络保持稳定但修饰键发生微调，力学性能呈非单调变化趋势，深层交换会增强表面压应力却引发内部张应力集中。该工作揭示了化学强化玻璃的多尺度力学机制，为工艺优化提供理论支撑。

　　

通过大规模原子/分子并行模拟器（LAMMPS），研究人员构建了纳米级均匀离子交换模型和亚微米级梯度交换模型，探究锂铝硅（LAS）玻璃在Li⁺–Na⁺和Na⁺–K⁺离子交换过程中的微观结构演化与应力场调控的裂纹扩展行为。结果表明：离子交换后玻璃网络结构保持稳定，但修饰离子键发生精细调整——Li⁺因高极化性使Li–O键长在初始缩短后逐渐恢复，而Na–O和K–O键则随应变拉伸。Si–O–Al键的优先断裂导致Al³⁺配位数变化。力学性能随交换率增加呈非单调趋势，源于Li⁺的高极化能力与Na⁺/K⁺大离子填充效应（stuffing effect）的竞争机制。在亚微米尺度，深层离子交换虽可提升表面压应力（compressive stress）抑制裂纹扩展，但会诱发内部张应力（tensile stress）集中，过度时反而促进裂纹扩展。该研究揭示了化学强化玻璃的多尺度力学行为本质，为工艺优化提供了原子层面的理论依据。