Amorphous-amorphous transitions in silica glass. I. Reversible transitions and thermomechanical anomalies

材料科学 无定形固体 方石英 多形性 玻璃化转变 热膨胀 无定形二氧化硅 石英玻璃 复合材料 变形(气象学) 化学物理 凝聚态物理 结晶学 化学工程 聚合物 化学 物理 工程类 石英
作者
Liping Huang,John Kieffer
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:69 (22) 被引量:157
标识
DOI:10.1103/physrevb.69.224203
摘要

Amorphous-amorphous transitions in silica glass under a variety of thermomechanical conditions are studied with molecular-dynamics simulations using a charge-transfer three-body potential model. The polyamorphic transitions can be reversible or irreversible depending on the combination of pressure and temperature at which the transitions take place. Anomalous thermomechanical behaviors of silica glass, such as an increase of the mechanical moduli upon expansion as a result of tensile deformation or thermal expansion, are well reproduced in our simulations. In part I, we show these anomalies are due to reversible structural transitions, which activate similar structural modes of displacement as in the $\ensuremath{\alpha}$-to-$\ensuremath{\beta}$ phase transformations in cristobalite silica. The emergence of dynamic instabilities is observed in conjunction with these reversible structural changes, characterizing them as transitions rather than gradual deformations. The polyamorphic transitions are gradual and localized in silica glass in contrast to the instantaneous and extended character of polymorphic transformation in crystals. The mechanism of the irreversible transitions, the negative thermal expansion of silica glass under pressure, as well as the effect of pressure and temperature on the permanent densification of silica glass and the nature of the newly discovered amorphous phases are discussed in part II.

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