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赵吕副教授等人在高速裂纹扩展稳定性研究领域取得原创成果

发布者:         发布时间:2020-07-22 21:12         浏览次数:

高纯度、无缺陷晶体脆性材料的I型解理过程通常产生光滑平整的断口。然而,这一认知被土木工程与力学学院力学系赵吕副教授及法国里昂大学相关研究人员近期合作发表在《美国科学院院报》(PNAS)的研究成果打破。论文题目为《单晶硅动态断裂中的自发射断口波纹》(self-emitted surface corrugations in dynamic fracture of silicon single crystal)。



单晶硅(110)解理面自发射断口波纹及其形成原因


研究团队在进行高纯度单晶硅断裂实验时发现,裂纹在没有材料夹杂、缺陷及外界环境干扰(如声波)的情况下发生失稳,并产生周期性断口波纹。该失稳现象的独特之处在于它总是从裂纹前缘上对应某特定扩展速度的位置形成并扩展,表现形式为前缘振荡。该振荡的特征形状在扩展过程中保持不变,幅值经过短暂衰减后趋于恒定。通过对裂纹前缘的重构以及断裂能分布的解析,研究团队发现失稳物理机制是材料断裂能在裂纹扩展速度达到某临界值时突变,致使裂纹前缘在断裂能突变点发生纽结,进而演变为失稳振荡。

上述裂纹前缘振荡现象与断裂力学领域理论预测的裂纹前缘波(crack front waves)有着高度的相似之处,如失稳的诱导因素一致(断裂能突变)、局域化的扩展模式相同、扩展速度相近等。经过进一步深入分析,研究团队还发现了该裂纹前缘振荡的类孤子特性,即振荡之间的相互作用表现为传播速度和幅值的交换而非简单的线性叠加。该研究成果为能量驱动裂纹自发失稳的前缘波理论提供了有效实验证据,为后续理论建模工作的发展提供依据。

论文第一作者为法国里昂大学王猛博士,我校土木工程与力学学院赵吕副教授、法国里昂大学Daniel Nelias教授为通讯作者。

论文链接:https://www.pnas.org/content/117/29/16872