不同强化方法处理的Li?O–Al?O?–SiO?玻璃裂纹萌生与扩展研究

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Study on crack initiation and propagation in Li 2O–Al 2O 3–SiO 2 glass strengthened by different methods

　　

# 摘要

玻璃材料中裂纹行为的深入研究对于工程结构的服务安全具有重要意义。本文系统地研究了不同强化方法——热淬火、离子交换和陶瓷化——对Li?O–Al?O3–SiO? (LAS)玻璃微裂纹萌生与扩展行为的影响。采用维氏压痕显微硬度测试、激光共聚焦显微镜三维形貌扫描以及环对环双轴弯曲强度测试，系统分析了强化玻璃与退火玻璃(AG)在裂纹萌生载荷、裂纹扩展速率及动态裂纹扩展指数(n)之间的差异。结果表明，离子交换玻璃(IEG)具有最高的裂纹萌生载荷(98 N)和最小的裂纹延伸量，表明深层压应力层有效抑制了表面微缺陷的裂纹萌生与扩展。玻璃陶瓷(GC)在低载荷下即容易发生裂纹萌生，但晶粒互锁结构有效限制了裂纹的进一步扩展。热淬火玻璃(TTG)表现出中等强化效果，而AG的裂纹萌生与扩展最为显著。在临界载荷及更高载荷下，LAS玻璃的表观n值始终遵循IEG > TTG > GC > AG的顺序。结合时间依赖型裂纹扩展观察，这些结果表明，表面压应力层能有效抑制亚临界裂纹扩展。

# 引言

作为一种传统的无机非金属材料，玻璃具有高硬度、优良透光性、可加工性及热稳定性等多重优势[1]，在现代科技和日常生活中发挥着至关重要的作用。除了在建筑、室内装饰和汽车挡风玻璃等传统领域的广泛应用之外，技术的快速发展也使得新型功能玻璃在柔性电子、光伏、电池和生物医学等新兴领域作出了重要贡献[[2],[3],[4]]。然而，玻璃固有的脆性使其在外力冲击下容易在表面缺陷处产生应力集中，导致裂纹快速扩展和灾难性断裂[5,6]。此外，玻璃的实际强度是一种外生性能，强烈依赖于缺陷的尺寸、数量和分布，因此可能远低于其理论强度，这极大地限制了其作为结构功能材料的进一步发展和应用。

经典的Griffith准则为理解这一差异提供了基本的理论基础[7,8]。对于包含半长为a*裂纹的理想脆性固体，当裂纹扩展释放的能量超过生成新表面所需的能量时，就会发生断裂。临界拉伸应力σc可简化为：

$$\sigma_c = \frac{2E\gamma}{\pi a^*}$$

其中E为弹性模量，γ为表面能。该公式表明，玻璃的强度不仅受本征键合控制，还受预存缺陷的尺寸和形状控制。因此，玻璃的强化策略可以理解为通过减小有效缺陷尺寸、引入裂纹尖端屏蔽或增加裂纹扩展阻力来实现的方法。

为了克服这一挑战，玻璃强化及表面裂纹萌生与扩展的抑制在玻璃材料领域引起了极大关注。玻璃表面强化最常见的方法是形成压应力层，这可以通过热淬火或离子交换实现。热淬火是将退火玻璃加热至软化点以下的一定温度范围内，保持该温度短暂时间后，均匀且快速冷却，从而产生预应力玻璃[9,10]。这种玻璃具有安全性高、经济性好以及耐温耐压性强的特点[11,12]。离子交换是一种强化工艺，熔融盐中的大半径碱金属离子取代玻璃表面层中的小半径离子，由此产生的体积差形成压应力，从而提高抗冲击性和强度[13,14]。该工艺不受玻璃几何形状的限定，且离子交换后的玻璃仍可切割[15,16]。近年来，晶化已成为提高玻璃强度和韧性的关键研究方向。玻璃中析出的晶粒能有效钝化裂纹并减缓其扩展。玻璃陶瓷(GC)兼具玻璃和陶瓷的结构特征[17]，在机械强度、热稳定性、表面质量以及优异的超大尺寸成型能力方面均优于传统玻璃材料[18]。

在实际服役环境中，强化玻璃在静态载荷下表现出显著改善的抗损伤能力，这主要归因于表面压应力对裂纹萌生的抑制。然而，作为一种脆性材料，一旦裂纹穿透压缩层，其易断裂的特性仍然是无法仅通过强化来消除的固有局限。作为一种固有脆性材料，玻璃在服役期间的可靠性不仅取决于硬度、弹性模量等基本力学参数，更关键的是裂纹萌生与扩展行为。理解玻璃的断裂行为对于工程结构的服务安全既具有学术价值也具有实际意义。国际上已采用实验和数值方法对玻璃断裂进行了大量研究。其中，压痕法利用金刚石压头在特定载荷下对玻璃表面进行预裂纹处理，已成为研究裂纹萌生与扩展的关键技术[19]。控制准静态压痕测试以规定的加载速率进行，并设置保压时间，压头垂直于试样表面施压，以定性观察裂纹萌生。Gong等人采用维氏压痕和Weibull函数对玻璃表面进行预裂纹处理，研究不同载荷下的裂纹萌生，发现增加CeO?含量可增强基体玻璃和化学强化玻璃的抗裂纹性能[20]。Sani等人发现，维氏压痕法能有效表征化学强化对表面杨氏模量、硬度和压痕裂纹的抑制效果[21]。径向裂纹通常从卸载过程中压痕角附近的高拉应力区域萌生。局部应力强度因子KI可概念性地表示为：

$$K_I = Y \cdot \sigma\sqrt{\pi a^*}$$

其中Y为几何因子，σ为裂纹尖端处的有效拉应力，a*为临界裂纹长度。根据线弹性断裂力学，当KI接近玻璃的断裂韧性(KIC)时，裂纹发生萌生[8,22]。压痕法适用于比较裂纹萌生阈值和引入可重复的表面缺陷，但基于径向裂纹的压痕断裂韧性估计对于许多玻璃而言是不可靠的。因此，本文不报告压痕法测得的断裂韧性，当需要定量KIC值时，已建立的预裂纹梁方法（如SEPB）更为合适。

尽管已有大量关于玻璃强化工艺的研究，但静态载荷下的裂纹萌生与扩展仍研究不足，这阻碍了对高强度玻璃的精确设计和可靠性评估。LAS玻璃是一种重要的低膨胀、高温玻璃，可通过热淬火、离子交换或控制晶化进行强化，从而能够直接比较应力型和微观结构型强化机制。在之前的研究中，我们考察了不同强化方法（热淬火、离子交换和混合强化）对LAS玻璃力学性能的影响[23]。为了进一步探讨并系统补充该材料的强化机制，本工作在前述研究的基础上额外制备了透明LAS玻璃陶瓷，将研究重点从宏观力学性能转移到裂纹萌生与扩展行为。本文系统研究了静态载荷下不同强化玻璃从裂纹萌生到扩展的全过程，阐明了AG、TTG、IEG和GC的断裂机理。通过比较它们的裂纹萌生与扩展行为，本研究为提升高端玻璃产品的可靠性和使用寿命提供了关键技术支撑。

# 玻璃制备

本研究采用传统高温熔炼法成功制备了LAS玻璃。基于试验性研究，基体玻璃的组成（质量百分比）如下：72% SiO? + 8% Al?O? + 11% Li?O + 9% (CaO + ZrO? + Na?O)。采用纯度≥99%的原料以尽量减少杂质离子的引入。精确称量的混合物在1580°C的熔炉中熔炼4小时，然后转移至箱式……

# LAS玻璃微裂纹萌生机理

图2展示了LAS玻璃在不同载荷下维氏压痕的典型形貌演变。压痕的对角线长度随载荷增加而显著增大，表明压头逐渐穿透并在接触区下方积累变形。不同处理方式的裂纹萌生临界载荷存在显著差异。对于AG样品，在4.9 N时未观察到裂纹，而在29.4 N时开始出现径向裂纹……

# 结论

本研究通过维氏压痕测试、裂纹萌生概率分析、时间依赖型裂纹扩展观察以及双轴弯曲强度测试，系统地比较了AG、TTG、GC和IEG的裂纹萌生抵抗力和亚临界裂纹扩展性能。可得出以下结论：

(1) 各材料在抵抗压痕诱导的径向裂纹萌生方面表现出显著差异。观察到径向裂纹的临界载荷为……

# CRediT作者贡献声明

Yang Penghui：原稿撰写、方法论、调查研究、数据管理。Wang Yanhang：撰写-审阅与编辑、资源获取、经费获取、形式分析、数据管理、概念构思。Li Xianzi：撰写-审阅与编辑、验证、资源获取、数据管理。Zhang Yanfang：撰写-审阅与编辑、资源获取、数据管理。Zhang Jinlong：验证、资源获取、数据管理。Tao Haizheng：撰写-审阅与编辑、资源获取、方法论、形式分析。

# 利益冲突声明

作者声明不存在已知的、可能影响本文工作的竞争性经济利益或个人关系。

# 致谢

本工作得到了基于玻璃的功能材料技术创新中心开放基金（编号：GFMTIC2025B09）和中国建筑材料联合会项目（编号：2023JBGS02-01）的资助。

Yang Penghui | Wang Yanhang | Li Xianzi | Zhang Yanfang | Zhang Jinlong | Tao Haizheng