玻璃材料是一類非平衡态材料，涵蓋了金屬玻璃、有機玻璃、矽酸鹽玻璃等多種(zhǒng)類型，在各類工程領域中常作爲結構材料得到了廣泛應用。當這(zhè)些玻璃結構材料在恒定形變條件下服役時，會出現應力松弛現象，即随著(zhe)服役時間的增長(cháng)，應力逐漸降低，從而顯著削弱材料的承載能(néng)力和穩定性，嚴重影響構件的服役期限。因此，研究提高玻璃材料抗應力松弛的能(néng)力并開(kāi)發(fā)有效策略，對(duì)于延長(cháng)構件在工程應用中的使用壽命和提高其可靠性，具有極其重要的科學(xué)價值和實際應用意義。
玻璃的機械性能(néng)與其能(néng)量狀态緊密相關，其中，玻璃在應力松弛過(guò)程中的行爲與退火過(guò)程中的老化現象極爲相似，均涉及從高能(néng)量狀态到接近熱力學(xué)平衡态的過(guò)程。在對(duì)抗玻璃老化的研究領域，美國(guó)威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的Kovacs教授于1963年提出了一種(zhǒng)創新的雙步退火方法：先低溫退火，再高溫退火。這(zhè)一方法被(bèi)證實能(néng)夠引起(qǐ)玻璃能(néng)量狀态的先升後(hòu)降。這(zhè)種(zhǒng)非常規的能(néng)量上升，即“年輕化”（rejuvenation）現象，被(bèi)命名爲Kovacs記憶效應。近年來，中國(guó)科學(xué)院甯波材料技術與工程研究所非晶合金磁電功能(néng)特性團隊進(jìn)一步揭示了深度弛豫和較大的激活熵是觸發(fā)Kovacs記憶效應的關鍵因素（Physical Review Letters,2020,125(13): 35501）。基于此，是否可以通過(guò)雙步加載實現類似的應力記憶效應，從而提高玻璃材料抵抗應力松弛的能(néng)力？
最近，甯波材料所非晶合金磁電功能(néng)特性團隊研究發(fā)現對(duì)不同玻璃材料（鐵基、钛基金屬玻璃以及PVC高分子玻璃）先加載高應變再加載低應變，應力將(jiāng)呈現先升高再降低現象，這(zhè)種(zhǒng)反常的應力遞增現象爲應力記憶效應（如圖1）。在更大的預加載應變和更高的溫度下，玻璃的記憶效應強度Δσ更大，且應力遞增的持續時間tp也更長(cháng)（如圖2）。同時在不同玻璃中觀察到，記憶效應強度Δσ随預加載時間tw的增長(cháng)呈現出由短時間不顯著到長(cháng)時間快速增長(cháng)的雙階段特征（如圖3）。通過(guò)即時動力學(xué)分析及可逆弛豫分析發(fā)現記憶效應隻有在大激活能(néng)的協同運動過(guò)程才顯著表現（如圖4）。最後(hòu)通過(guò)原位拉伸高能(néng)同步輻射和可逆滞彈性弛豫分析揭示，由小原子主導的可逆β弛豫是應力記憶效應的本質（如圖5）。上述研究成(chéng)果不僅深化了先前關于大激活熵深度弛豫作爲焓記憶效應關鍵因素的理解（Physical Review Letters，2020,125(13):135501），而且揭示了記憶效應本質上是可逆β弛豫的物理圖形，有效支持了Tool-Narayanaswamy-Moynihan（TNM）和Amir-Oreg-Imry （AOI）等唯象模型中關于記憶效應中快弛豫成(chéng)分的假設。第二階段恒應變加載時出現的反常應力遞增現象，可以顯著抵抗因應力衰減導緻的結構失效。該工作爲研究玻璃材料抵抗應力松弛能(néng)力開(kāi)辟了新路徑，相關成(chéng)果以“Strain-driven Kovacs-like memory effect in glasses”爲題發(fā)表在Nature Communications上（DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-023-44187-x）。
該研究論文的第一作者爲甯波材料所童钰博士後(hòu)，通訊作者爲甯波材料所王軍強研究員和宋麗建副研究員，以及西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)的Eloi Pineda教授。合作作者包含甯波材料所高玉蓉碩士研究生、水曉雪高級實驗師、張岩研究員、高萌研究員、霍軍濤研究員；中國(guó)科學(xué)院高能(néng)物理研究所樊龍龍博士、楊一鳴副研究員、默廣副研究員；中國(guó)科學(xué)院物理研究所李福成(chéng)博士、柳延輝研究員；西北工業大學(xué)喬吉超教授。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點研發(fā)計劃、甯波市等項目的支持。
圖1 玻璃中的應力記憶效應。（a）雙步應變加載（ε1 、ε2）示意圖；（b）固定應變ε1=0.5%，不同ε2拉伸時TiZrHfCuNiBe金屬玻璃的應力演化曲線，當ε1＞ε2時，應力呈現先遞增再遞減；（c）在鐵基、钛基金屬玻璃以及PVC有機玻璃中加載高—低雙步應變時，會誘發(fā)出反常應力遞增現象—應力記憶效應
圖2 更大的預加載應變及溫度都(dōu)會促進(jìn)應力記憶效應，具有更大記憶效應峰值時間tp和強度Δσ
圖3 在三種(zhǒng)玻璃材料中均觀察到記憶效應随預加載時間tw呈現雙階段演化特征：即在較短的預加載時間内，記憶效應表現較爲微弱；當預加載時間超過(guò)某一特定阈值後(hòu)，記憶效應會迅速增強，達到相對(duì)較大的數值
圖4 預加載應力松弛呈現雙階段，短時間爲可逆弛豫具有較小的激活能(néng)，爲β弛豫過(guò)程；長(cháng)時間爲不可逆弛豫的協同運動過(guò)程，具有較大的激活能(néng)
圖5 原位拉伸高能(néng)同步輻射和可逆滞彈性弛豫分析，揭示應力記憶效應的本征是由小原子主導的局域可逆β弛豫
（磁材實驗室）
