氧化物玻璃中是否存在压痕尺寸效应？

作为无机氧化物玻璃性能的重要指标之一，硬度的评价至关重要。在利用维氏硬度评价该类玻璃过程中，当载荷降低之某一数值后，人们观测到了压痕尺寸效应（Indentation Size Effect，ISE），即随着载荷降低，测得的硬度值逐渐升高。这种现象导致不同载荷下的硬度数据缺乏可比性，给该类材料硬度性能评估带来困扰。关于无机氧化物玻璃中的压痕尺寸效应，目前存在以下科学难题：

1. 在晶体、金属玻璃等材料中，普遍存在ISE现象。并且，不像无机氧化物玻璃中报道的低于某一临界载荷后才出现ISE现象，晶体、金属玻璃等材料中则不存在硬度随载荷变化保持常数的稳定区域。详细的结构表征在晶体、金属玻璃等材料中观测到了明显的剪切带，并基于该现象的出现将导致压痕接触面积增加，很好地解释了晶体、金属玻璃中ISE现象的物理机制。而在氧化物玻璃中，仅在加载时间长达数十甚至数百秒的条件下，才会观测到剪切带现象；在标准的硬度测试条件（加载时间一般为2-8秒）下，未观察到明显的剪切带现象。因而无法利用剪切带理论解释氧化物玻璃中观测到的ISE现象。

2. 无机氧化物玻璃中，仅在低于特定载荷时才会出现ISE现象。但是，采用纳米压痕仪和显微维氏硬度仪测试时，ISE现象的临界载荷相差一个数量级。也就是，采用显微维氏硬度仪测试时，临界载荷一般在1~3 N范围内；但采用纳米压痕仪，临界载荷一般在0.04~0.2 N范围内，比显微维氏硬度仪测试时降低一个数量级。

3. 氧化物玻璃中的压痕尺寸效应的物理机制一直存在争议，提出了塑性能量耗散模型、表面能模型、微断裂模型、压头与玻璃之间的粘附模型等。然而，上述模型缺乏直接的实验证据支持。

为回答上述问题，硅酸盐科学与先进建材全国重点实验室（武汉理工大学）先进无序材料研究室，通过系统的实验设计，选用石英玻璃、钠钙硅酸盐（SLS）玻璃、锌铝硅酸盐（ZAS）玻璃和单晶石英等材料作为研究对象，硬度实验采用纳米压痕仪和显微维氏硬度仪两种方法进行详细的表征。一方面，采用显微维氏硬度仪，对比了基于光学显微镜和扫描电镜（SEM）测量的压痕对角线长度（d），获得H_V值；另一方面，使用配备传统机械式位移传感器和配备更高精度电容式位移传感器的纳米压痕仪进行纳米硬度测试。

系统的实验表征发现：

1）基于显微维氏硬度仪，采用光学显微镜测量d值时，发现ZAS和SLS玻璃在小于3 N载荷后出现了明显的ISE现象；然而，采用更高精度的FE-SEM测量时，未观测到明显的ISE 现象（图3）。

2）基于纳米压痕仪，采用机械式位移传感器时，在其200-300 mN高精度量程内未发现ISE现象；采用小载荷更灵敏的电容位移传感器时，在其2-8 mN高精度量程内也未发现ISE现象。这表明，之前氧化物玻璃中报道的30-200 mN载荷范围内出现的纳米硬度ISE现象，很可能归因于机械式位移传感器在进行更低载荷（如 30 mN）测试时不在高精度量程范围内引起的。

3）针对单晶石英样品，同样采用上述两种位移传感器的纳米硬度仪，在前述2-8 mN和200-300 mN两个载荷范围内均发现了明显的ISE现象。并采用FE-SEM在压痕中观测到了明显的剪切带。证实了以前报道的现象和本工作采用仪器测试结果的可信性。此外，30 mN载荷下采用机械式位移传感器测得的纳米硬度值，明显高于2-8 mN载荷范围内采用电容式位移传感器的测试结果（图4）。这一差异进一步证实，机械式位移传感器在低载荷（＜200 mN）条件下测试时存在问题。

相关工作以“Revisiting the indentation size effect in oxide glasses”为题发表在Journal of Alloys and Compounds上。论文第一作者为硅酸盐科学与先进建材全国重点实验室的博士生郑庆双，陶海征教授和丹麦奥尔堡大学岳远征教授为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.181984