玻璃材料超高静水压压密过程的力学机理研究

The densificatin behavior of glasses is vital important to condensed matter physics and solid mechanics,however, its still unclear. Since Bridgman et al., found the densification phenomenon under high pressures in 1950s, the permanent densification behavior has to be found among many glasses, such as silica, silicate glasses, boric oxide glass, germinate glasses, chalcogenide and chalcohalide glasses, and bulk metallic glasses. As a matter of fact, the density of amorphous silica can be increased by up to 20% and that of windows glass by 6%, and for bulk metallic glasses only 1-2% when a sufficiently high hydrostatic pressure is applied. Recently, Rouxel, Sato, Zeng et al.(Rouxel et al.， PRL 2008，Sato et al., PRL 2008, Nature Communication 2011, Zeng et al., PRL 2010，Science 2011)), obtained the densification behavior of silica glass, windows glass and bulk metallic glasses under unltra-high pressures. However, there were still no finite element model can portray this densification behaior.The purpose of this work is to review the densification behavior of glass under very high pressure and clarify the deformation process under pressure of silica, windows glass and bulk metallic glasses by constitutive modeling and numerical simulations.

玻璃压密现象在凝聚态物理和固体力学方向是一个非常重要的科研问题，但至今尚未被完全理解。近年来，Science、Physical Review Letters (PRL)等权威杂志报道了二氧化硅玻璃（Rouxel et al.， PRL 2008，Sato et al., PRL 2008, Nature Communication 2011），金属玻璃( Zeng et al., PRL 2010，Science 2011) 等在超高压下的变形特征和力学性能。二氧化硅玻璃在完全致密的情况下，密度可以增加达到20%，二氧化硅窗户玻璃密度增加6-7%，而金属玻璃的密度仅增加1-2%。由于玻璃的脆性和超高静水压实验的难度大，我们拟建立一个基于体积大变形的弹塑性本构方程来模拟玻璃材料的高压变形行为，理解玻璃材料的高压压密变形的力学机理，并进一步阐释其压密特征与材料结构的关联。

玻璃材料在高压状态下的变形行为是国际的一个热点问题，吸引了力学界、物理界科学家的极大兴趣，涉及到非线性力学、高压物理、非晶物理、应用物理、地球物理等学科。永久的压密行为是超高静水压最基本的特征。通过分析多种玻璃材料的高压变形行为，我们建立了一个本构模型来反映其变形机理。模型假设是在纯静水压状态下，剪切力可忽略时，引入新的屈服准则和流动规律来描述其压密行为。该过程包含三个阶段，即线弹性阶段，压密过程及饱和密实阶段。内置超高净水压实验数据和外置净水压试验数据都引入到我们的模型。我们通过Abaqus和Sidolo来模拟大体积变形条件下玻璃的变形行为，并结合优化分析，获得了具有物理意义的参数，即临界压力、饱和压密值、饱和压密时压力等。数值模拟结果与我们的实验数据获得了很好的对应。这将有助于我们理解玻璃材料超高净水下的压密行为，同时我们还可以预测材料本征性能的变化，比如泊松比、剪切模量、弹性模量等的改变。因此，可以通过我们的模型去分析玻璃材料在复杂环境下的变形行为。此外，我们发现材料致密化的过程中，内部微观结构也同时发生了变化。比如二氧化硅玻璃，它初始是正四面体金字塔结构，随着压力的增加内部五面体结构、六面体结构就逐步产生了。当压密饱和时，材料的四面体结构保持了稳定。同时，我们发现不同玻璃材料内部致密度的饱和值不一样是源自于其初始微观结构不同。总之，我们的研究希望能帮助更多人理解更多材料在超高压力作用的变形行为。