《Journal of Non-Crystalline Solids》：How surface governs vibration-induced degradation of glass Structure: A view from molecular dynamics
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摘要硅玻璃以其优异的热稳定性和机械强度而闻名，广泛应用于光学、制造和航空航天领域。然而，由于其固有的无序网络结构，在外部振动场下其结构退化的机制研究仍然鲜有报道。本文采用分子动力学（MD）模拟，揭示了硅玻璃在外部振动场下的结构响应及演化机制。通过对均方根位移（RMSD）进行傅
摘要
硅玻璃以其优异的热稳定性和机械强度而闻名，广泛应用于光学、制造和航空航天领域。然而，由于其固有的无序网络结构，在外部振动场下其结构退化的机制研究仍然鲜有报道。本文采用分子动力学（MD）模拟，揭示了硅玻璃在外部振动场下的结构响应及演化机制。通过对均方根位移（RMSD）进行傅里叶变换、约化对分布函数G(r)以及拓扑环的重排分析，阐明了玻璃网络的动态行为。振动诱导的结构变化表现为高频振动模式的增强、局部结构的松弛以及网络连通性的渐进退化。定量而言，经过反复振动后，G(r)主峰的半高宽从0.077增至0.193，而经过三个振动周期后，平均环尺寸从6.8224增至6.8495。本研究从分子层面提供了硅玻璃在外部机械应力下结构动力学的见解，揭示了一条理解无序材料性能退化的新途径。
引言
作为一种关键的功能材料，硅玻璃在加工和长期使用过程中不可避免地会经历复杂的机械场作用，包括冲击[[1], [2], [3], [4]]和高压[[5], [6], [7], [8]]。这些外部载荷容易引发原子尺度的重构、局部缺陷形成以及微裂纹扩展，导致力学性能退化和宏观失效[9,10]。然而，除冲击和高压场之外，硅玻璃还会受到振动场[11,12]的作用。与冲击和高压场引起的瞬时损伤不同，振动场对材料的影响是累积性的，因为通过反复能量输入使设备持续处于工作状态[13]。因此，研究硅玻璃在振动场下的结构演化和损伤起源是一项紧迫的任务。现有研究主要集中在宏观工艺优化和性能分析方面[[14], [15], [16], [17], [18]]。然而，这些研究难以揭示无序网络在振动场下原子尺度的内在演化机制。实际上，无序网络的力学响应从根本上源于局部结构单元的微观演化，这一过程往往无法被宏观模型准确捕捉[19]。然而，振动下结构演化的微观机制仍不清楚。具体而言，表面效应在介导振动损伤中的作用尚未得到系统探索。
随着计算材料科学的发展，分子动力学（MD）模拟已成为研究非晶材料结构与性质不可或缺的工具，并且在研究玻璃材料的力学响应方面展现出显著优势。例如，Pedone等人[20]基于晶体硅和非晶硅环尺寸分布的差异，揭示了晶体硅比非晶硅具有更高强度，强调了微观结构直接影响宏观性能。此外，现有研究已证明体系尺寸可以显著影响玻璃的结构和力学性能。例如，Voyiadjis和Yaghoobi[21,22]系统研究了纳米压痕过程中的尺寸效应，发现材料硬度与位错长度之间存在密切关联。此外，Barciela等人[23]研究了非晶SiO?的断裂行为，发现体系尺寸可以显著影响玻璃的脆性和韧性。除硅玻璃外，Tilocca[24]和Deng等人[25]进一步研究了冷却速率和体系尺寸对多组分氧化物玻璃的影响，发现这两个因素对中程结构、网络连通性和宏观性能均具有显著影响。
除块体玻璃模型外，纳米线等低维玻璃结构也越来越受到关注，在这些结构中自由表面效应变得更加显著。先前的研究表明，硅玻璃的自由表面与内部区域在密度分布、键角特征、环拓扑和原子迁移性方面存在显著差异[26,27]。这些表面特异性结构和缺陷影响硅玻璃的力学响应和断裂强度，使表面和近表面区域成为局部结构重排和损伤起始的敏感区域[27,28]。此外，随着材料特征尺寸的减小，表面影响区域的比例增加，硅玻璃的变形和断裂机制可能发生显著变化，甚至可能出现尺寸依赖的脆性-韧性转变[23,29,30]。例如，Yuan和Huang[31]模拟了从块体到纳米线尺度非晶SiO?的单轴拉伸变形，揭示了典型的脆性断裂行为，并由于表面效应，纳米尺度下强度和韧性均显著提高。Liang等人[32]进一步证明，纳米线的弹性响应表现出显著的尺寸依赖性，导致弹性模量和应力-应变曲线形状的变化。然而，体系尺寸和表面对振动场下玻璃结构响应的影响远未被完全理解。为弥补这一知识缺口，本研究采用MD模拟系统研究了体系尺寸和表面的存在如何影响振动场下硅玻璃的结构演化。通过捕捉振动模式、局部结构和环尺寸分布等微观变化，我们旨在阐明振动退化累积的机制。
本文结构安排如下：方法部分介绍经验势、模拟细节和数据分析方法。结果部分展示振动场下的结构响应与演化。最后，讨论部分详细阐述了振动场的表面效应和循环载荷对玻璃的影响。随后是结论部分。
各节片段
经验势的细节
在MD模拟中，经验势用于描述原子间相互作用，因此在确定模拟结构和性质的准确性与有效性方面起着至关重要的作用，这直接影响模拟结果的可靠性。多年来，已开发出各种用于硅玻璃的原子间势，包括BKS势[33]、SHIK势[[34], [35], [36]]、Pedone势[37]、Teter势[38,39]和MG势[[40], [41],
表面对玻璃结构的尺寸效应
为研究表面对硅玻璃结构响应的影响，将构建的周期性边界条件模型和添加真空层的模型分别称为块体模型和表面模型。同时，未施加初始速度的模型和施加初始速度的模型分别称为参考模型和振动模型。
图2(a)和(b)分别展示了块体参考模型和表面参考模型的RMSD曲线（前50 ps），
表面对玻璃结构的影响
在表面模型中，真空层的存在导致平均原子数密度被低估，且表面原子的不完整配位导致局部结构出现轻微偏差。这改变了S(Q)的形状，特别是在第一个峰附近，使傅里叶变换的最大值发生偏移，导致第一个峰出现在较低的Q ≈ 1.02 ??1，如图4(f)所示。结构因子的第一个衍射峰反映中程
结论
本研究采用MD模拟研究了振动场下硅玻璃结构响应的表面效应。我们的主要发现如下：
a) 体系尺寸依赖性：与块体模型相比，由于自由表面的存在，表面模型表现出显著的尺寸依赖效应，影响材料对振动载荷的响应。当体系包含36,000个或更多原子时，表面模型的结构参数趋于收敛。
b)
CRediT作者贡献声明
王飞美：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，方法学，调查，形式分析，数据管理，概念构思。张亚娇：撰写—审阅与编辑，监督，方法学，调查，形式分析。严景平：方法学，调查，形式分析，数据管理，概念构思。李博源：监督，软件，资源，方法学，调查，形式分析。刘佳伟
王飞美|张亚娇|严景平|李博源|刘佳伟|蒋芳玲|钱敏|俞春雷|邓禄|胡莉莉
