Exploring the mechanical properties of B2O3 glass with classical molecular dynamics simulations

Abstract

Inorganic oxide glasses have numerous applications, and they are used both in technology and industry. Inorganic oxide glasses are considered to be brittle, having little to no plastic deformation because of the amorphous structure of glass. Plasticity has been observed in aluminum oxide and densified silica, but little is known about the plasticity in boron oxide. Understanding the mechanical behavior of different oxide glasses can offer deeper insight into the applications of glasses. In this master’s thesis, the mechanical properties of boron oxide (B2O3) glass were studied with classical molecular dynamics simulations using LAMMPS. Here, it is shown that boron oxide can plastically deform up to 50% tensile strain at room temperature without a fracture. The mechanisms for the plasticity were analysed, and a significant amount of bond switching occurred during the simulation. The reason for this was found to be the improper three-dimensional structure that has weak van der Waals bonds holding the planar BO3 building blocks together. This allowed for the deformation of the structure without a fracture. The plasticity occurred in small and random regions, and on average the deformation was quite minimal. Moreover, boron oxide exhibits larger elastic deformation compared to other oxide glasses due to its planar structure.

Epäorgaanisilla laseilla on lukuisia käyttökohteita ja ne ovat tärkeitä teknologiassa ja teollisuudessa. Ne särkyvät helposti, eikä niillä esiinny plastista deformaatiota lasin amorfisen rakenteen vuoksi. Alumiinioksidissa sekä tihennetyssä piioksidissa on kuitenkin havaittu esiintyvän plastisuutta, mutta boorioksidin plastisuutta ei ole tutkittu. Eri oksidien mekaanisen käyttäytymisen ymmärtäminen voi tarjota syvemmän käsityksen lasien sovelluksista. Tässä pro gradu-tutkielmassa tutkittiin boorioksidi (B2O3) lasin mekaanisia ominaisuuksia klassisilla molekyylidynamiikkasimulaatioilla käyttäen LAMMPS:ia. Tuloksena huomattiin, että boorioksidi pystyi venymään plastisesti jopa 50% huoneenlämmössä ilman murtumaa. Plastisuuden syitä tutkittiin ja merkittävä määrä sidosten vaihtumista huomattiin tapahtuneen simulaation aikana. Syy tälle on varsinaisen kolmiulotteisen rakenteen puuttuminen, minkä takia heikot van der Waals sidokset pitävät tasomaisia BO3 rakennusosia kasassa. Tästä johtuen boorioksidi pystyi venymään plastisesti ilman murtumaa. Deformaatio tapahtui pienissä ja satunnaisissa alueissa ja oli keskimäärin melko pientä. Työssä huomattiin myös, että boorioksidilla oli suurempi elastinen venymä kuin muilla epäorgaanisilla laseilla, joka johtuu boorioksidin tasomaisesta rakenteesta.