《Journal of Advanced Ceramics》：一滴水如何帮助高压烧出透明氧化铝陶瓷

近日，南昌大学、江苏师范大学与四川大学研究团队在《Journal of Advanced Ceramics》发表题为“Unravelling the H2O-assisted high-pressure sintering mechanism: A route to highly transparent cubic alumina ceramics”的研究论文。研究人员通过加入适量的水，与吉帕级（GPa）压强协同作用，在低至 300 ℃的条件下制备出致密、无裂纹且高度透明的立方相 γ-Al2O3 纳米晶陶瓷。

研究中，5 GPa 高压实验采用德国 Max Voggenreiter（沃根瑞特）Mavo Press LPR 1000-400/50 多面砧大腔体压机配合 Walker 型分压模具完成。实验与第一性原理计算、分子动力学模拟相结合，进一步揭示了水在高压界面上促进致密化和缓解内应力的原子尺度机制。

透明陶瓷的难题：既要致密，又要保住亚稳立方相

透明氧化铝兼具硬度、耐高温、化学稳定性和宽光谱透过潜力，可用于透明防护、红外窗口、固态照明和高功率光学器件。常见 α-Al2O3 晶体具有光学各向异性，晶界容易引起散射；立方 γ-Al2O3 则近似光学各向同性，但它属于亚稳相，受热时容易转变为稳定的 α 相。

这带来一个典型矛盾：提高温度有利于消除孔隙，却可能诱发相变和晶粒长大；只施加高压虽然能降低烧结温度，却容易在压实过程中积累内应力并产生微裂纹。对于透明陶瓷，残余孔隙、第二相和微裂纹都会成为强烈的光散射中心。

5 GPa、300 ℃ 结合约15 wt% 水：出现最佳窗口

研究团队尝试了 5–75 wt% 不同的水含量，比较了 0.8 GPa 与 5 GPa 下的烧结行为。结果并非“水越多越好”，而是呈现明显的非单调变化。

在 0.8 GPa、300 ℃下，相对密度随水含量增加而上升，在约 15 wt% 时达到约 94%，之后下降；在 5 GPa 下，即使不加水也能获得约 99.5% 的相对密度，但样品会出现微裂纹。加入适量水后，材料仍保持接近理论密度，同时结构完整性和透明度显著改善。综合密度、相组成、微结构和光学性能，约 15 wt% H₂O、5 GPa、300 ℃构成最佳工艺窗口。

图 1  γ-Al₂O₃ 陶瓷相对密度随水含量和烧结温度的变化；水的作用存在最佳浓度窗口。

图片来源：Chen et al., Journal of Advanced Ceramics (2026)，CC BY 4.0。

从“压得密”到“真正透明”：水含量必须恰到好处

在最佳条件下，样品相对密度超过 99%，可见光区透过率超过 84%。样品背后的文字清晰可辨，说明孔隙和裂纹造成的散射已受到有效抑制。

水含量不足时，颗粒重排和界面物质迁移不充分，残余孔隙与第二相会降低透明度；水含量过高时，则可能出现过度润湿、微结构粗化、氢氧化物或其他第二相，并带来羟基相关的红外吸收。论文还观察到，在更高水含量下材料可能经历 γ-Al₂O₃→Al(OH)₃→α-Al₂O₃ 的相变序列。

图 2  5 GPa、300 ℃下不同水含量样品的实物照片和透过率；约 15 wt% H₂O 时综合光学性能最佳。

图片来源：Chen et al., Journal of Advanced Ceramics (2026)，CC BY 4.0。

水不只是助剂：高压下它参与了界面化学

作者提出，水辅助高压烧结可理解为三个相互衔接的阶段。首先，水分子吸附在 γ-Al₂O₃ 纳米颗粒表面的低配位铝位点，在颗粒之间形成极薄的瞬态液膜。随后，高压提高颗粒接触区的化学势和局部溶解度，铝物种由高应力接触点进入液膜，经扩散后在颗粒颈部或孔隙区域重新沉淀，从而以远低于传统固相扩散所需的温度推动孔隙闭合。

在约 5 GPa 的压强下，一部分水还会在颗粒界面解离为 H⁺ 和 OH⁻。计算结果表明，H⁺ 可形成局部 Al–H 键，OH⁻ 则进入晶格间隙，使材料趋向形成类似 HAl₂O₄ 的羟基稳定立方结构。作者据此推断，这种结构修饰能够钝化缺陷并释放局部晶格应变，从而减少仅靠压力烧结时容易出现的微裂纹。需要强调的是，水解离及其晶格作用来自实验表征与多尺度计算的综合机制分析，而不是对单个原子的直接原位拍摄。

图 3  作者提出的水辅助高压烧结机制：瞬态液相促进溶解—扩散—沉淀，高压下的 H⁺/OH⁻ 参与结构稳定和应力释放。

图片来源：Chen et al., Journal of Advanced Ceramics (2026)，CC BY 4.0。

沃根瑞特大腔体压机提供稳定的高温高压实验平台

论文中的 5 GPa 烧结实验在沃根瑞特 Mavo Press LPR 1000-400/50 多面砧大腔体压机（配备Walker 型分压模具）上完成。研究采用 18/12高压组装：样品先升压至 5 GPa，再加热到 300 ℃并保温 40 分钟，随后断电淬火并缓慢卸压。温度由邻近样品的 B 型热电偶监测，压力通过 Bi、Tl 和 Ba 的已知相变点进行原位标定。

这一实验对压力稳定性、温度控制、样品密封和卸压程序均有较高要求。设备在本研究中的作用，是为不同水含量样品提供可重复的吉帕级压强与低温热处理环境，使实验结果能够与显微表征、光谱分析和计算模拟进行对应。论文展示出了高压平台在机制研究和工艺窗口验证中的支撑价值。

研究意义：为低温制备亚稳纳米陶瓷提供新思路

这项工作把水从传统意义上的“临时润滑剂”或“烧结助剂”，重新定义为高压条件下的结构调控介质。压力负责颗粒压实并改变界面反应条件，瞬态液相承担物质迁移，解离产生的氢和羟基物种则可能参与晶格稳定与应力释放；三者共同解决了 γ-Al₂O₃ 致密化、相稳定和防开裂难以兼顾的问题。

这一思路还可能推广到其他难以通过常规高温路线获得的亚稳、纳米晶或多组元陶瓷，例如需要抑制元素挥发、相分解或热失配的功能材料。不过，最佳水含量、压力窗口和界面反应路径具有材料依赖性，仍需针对具体体系进行验证。

论文信息

论文题目：Unravelling the H₂O-assisted high-pressure sintering mechanism: A route to highly transparent cubic alumina ceramics

中文题目：揭示水辅助高压烧结机制：通向高度透明立方氧化铝陶瓷的新路径

期刊：Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(5): 9221291

作者：Xingtao Chen、Yijun Shen、Zhouru Kong、Qinbiao Nan、Dahan Liu、Lixin Yu、Jun Wang、Jianqi Qi、Tiecheng Lu

通讯作者：Xingtao Chen、Lixin Yu

作者单位：南昌大学物理与材料学院、江苏师范大学物理与电子工程学院、四川大学物理学院

DOI：10.26599/JAC.2026.9221291

原文链接：https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221291

图片与研究数据来源：Chen, X. et al. Journal of Advanced Ceramics 15(5), 9221291 (2026)。原论文采用 CC BY 4.0 许可。本文依据原论文内容进行科普化整理。