南昌大学团队MD模拟研究来了!

透明陶瓷材料因其相较于传统玻璃和单晶具有优异的机械强度、热稳定性以及可调的光学性能，在先进光学应用中引起了广泛关注。透明立方氧化铝（γ-Al₂O₃）陶瓷是有前景的光学材料，但在不发生相变或开裂的情况下实现致密化颇具挑战性。

DOI: 10.26599/jac.2026.9221291

鉴于此，2026年5月14日，南昌大学物理与材料科学学院于立新教授课题组在Journal of Advanced Ceramics上发表研究成果。

本文报道了一种新型的H₂O辅助高压烧结策略，该策略能够在低至300°C的温度下制备出高度透明、无裂纹的γ-Al₂O₃陶瓷。通过将GPa级压力与精确控制的H₂O浓度相结合，实现了近理论密度和优异的光学透过率。

系统研究表明，致密化和透明度对H₂O含量呈非单调依赖关系，在5GPa压力下最佳浓度约为15wt%。微观结构和光谱分析表明，优异的光学质量与无孔隙的纳米晶微观结构以及无第二相的存在密切相关。

关键在于，通过集成第一性原理计算和从头算分子动力学模拟，揭示了原子尺度的机理：在高压下，H₂O在颗粒界面解离，生成的H⁺形成Al–H键，而OH⁻则并入晶格间隙位置。

这一过程稳定了一种类似羟基立方铝酸盐（HAl₂O₄）的结构，这不仅通过增强的溶解-沉淀路径促进了无应力致密化，还有效释放了纯压力烧结中通常导致开裂的内应力。

这项工作为理解H₂O与超高压在低温陶瓷致密化中的协同作用提供了基础机理认识，从而为传统热烧结无法获得的透明纳米晶陶瓷建立了一条通用化制备途径。

1、粉末分析

为探究煅烧温度对相组成和粒径的影响，首先对合成后的前驱体进行了物相演变分析。图1显示了所合成的γ-Al₂O₃粉末的物相和形貌。X射线衍射图谱揭示了在500至1200°C范围内煅烧4小时的物相演变过程。

图1：在不同温度下煅烧的γ-Al₂O₃粉末的XRD图谱

在500、600、700和900°C下煅烧的粉末的衍射图谱均呈现出可指标化为立方相Al₂/₃Al₂O₄的衍射峰，表明在500–900°C范围内可获得单相γ-Al₂O₃，如图1所示。

2、致密化与微观结构

虽然通过无添加剂的超高压在300°C下烧结已获得了透明γ-Al₂O₃，但烧结助剂在高压烧结过程中的作用仍不明确。因此，本研究还系统探讨了添加剂和烧结温度对γ-Al₂O₃陶瓷微观结构和光学质量的影响。

图2：高压烧结γ-Al₂O₃的相对密度随(a) H₂O浓度和(b) 烧结温度的变化

图2展示了关键工艺参数对高压烧结路线下γ-Al₂O₃陶瓷致密化的影响。含有15 wt% H₂O的γ-Al₂O₃在300°C和0.8 GPa条件下高压烧结也达到了>90%的理论密度。使用H₂O作为液相助剂的明显致密化效果也可以从块体样品的断口形貌中直接观察到。

图3展示了在0.8 GPa压力下、不同H₂O含量高压烧结的γ-Al₂O₃陶瓷的X射线衍射图谱。所有图谱均呈现可指标化为立方γ-Al₂O₃相的特征衍射峰，证实了低温冷烧结过程成功保留了亚稳态立方结构而未发生向α相的转变。随着H₂O含量从15wt%增加至25wt%，可以观察到一个明显的趋势：衍射峰变宽且强度减弱。

图3：在0.8GPa下、不同H₂O含量高压烧结的γ-Al₂O₃陶瓷的表征

在0.8GPa压力下烧结的陶瓷，即使采用最佳H₂O含量，其光学透过率仍未达到理论值。这一性能差距主要可归因于其相对密度不够理想，表明仅0.8GPa压力所提供的驱动力不足以实现完全致密化和彻底消除孔隙。

图4：在5 GPa下、不同H₂O含量冷烧结的γ-Al₂O₃陶瓷的XRD图谱

图5呈现了以15 wt%和20 wt% H₂O作为瞬态液相、在5 GPa压力下高压烧结所得γ-Al₂O₃陶瓷的全面微观结构和化学分析。

扫描电子显微镜图像显示致密、无孔隙且晶粒分布均匀的断口表面，证实了在这些条件下实现了高度致密化。微观结构呈现近球形晶粒，平均尺寸为27nm。

图5：使用15wt%和20 wt%H₂O作为液相、在5 GPa下冷烧结的γ-Al₂O₃陶瓷的微观结构与化学表征

3、结构模型与主要模拟结果介绍

图6展示了第一性原理和分子动力学模拟结果，阐明了在γ-Al₂O₃高压烧结过程中H₂O作为瞬态液相的原子尺度机制。图6显示了密度泛函理论计算的H₂O分子在γ-Al₂O₃低指数表面上的稳定吸附构型。

图6：阐明冷烧结过程中H₂O作用的第一性原理和分子动力学模拟结果

计算表明，H₂O优先化学吸附于配位不饱和的Al位点，其中一个O–H键指向表面氧，促进质子转移。图6中的能量分布图量化了吸附后的关键步骤。

4、机理分析

图7示意性地展示了所提出的γ-Al₂O₃透明陶瓷的H₂O辅助高压烧结机理。该过程可分为三个关键阶段。首先，在混合后，H₂O分子吸附在γ-Al₂O₃纳米颗粒表面，优先吸附于配位不饱和的Al位点。

图7：含H₂O添加剂的γ-Al₂O₃陶瓷的高压烧结机理

总之，研究者证明了H₂O辅助高压烧结是一种在低至300°C温度下制备全致密、透明γ-Al₂O₃纳米晶陶瓷的高效途径。成功的关键在于GPa级压力下对H₂O含量的精确控制。在5GPa压力下，约15wt%的最佳H₂O浓度可获得相对密度>99%且在可见光区光学透过率优异的陶瓷。