北京科技大学李建强教授团队：通过多相界面互锁策略突破透明纳米陶瓷晶粒尺寸极限

透明陶瓷材料具有优异的光学透过性能、高力学性能和良好的环境稳定性，在高功率激光、固态照明和显示、精密光学器件以及先进结构材料等领域具有重要战略价值。纳米晶透明陶瓷由于晶粒尺寸远小于可见光波长，可有效抑制由晶界等微结构引起的瑞利散射，在保持高透明性的同时兼具优异的力学性能，是高性能透明陶瓷的重要发展方向。然而，传统的透明陶瓷材料通常采用粉末烧结的制备技术路线，在高温致密化过程中难以避免晶粒粗化，导致最终晶粒尺寸往往超过百纳米甚至微米尺度。针对这一问题，北京科技大学材料学院李建强教授团队提出了基于非晶全等晶化制备路线的多相界面互锁策略，通过构建多晶相协同析出的玻璃体系，引入稳定的异相界面网络，有效限制晶粒迁移和长大过程。基于该策略，研究团队成功制备出具有超细纳米晶结构的透明陶瓷材料，将平均晶粒尺寸降至约16nm，突破了传统玻璃晶化透明陶瓷的晶粒尺寸极限。该研究揭示了多相界面对晶粒演化行为的调控机制，为玻璃晶化透明纳米陶瓷的结构设计提供了新的思路，也为发展兼具高透明性和优异力学性能的新型陶瓷材料提供了重要参考。

既有玻璃晶化透明陶瓷研究多集中于组分相对简单的玻璃体系，并以单相或双相晶化结构为主。玻璃在加热晶化过程中，虽然能够逐渐转变为陶瓷，但晶粒也会不断长大。晶化越充分，晶粒往往越容易变粗，因此很难同时实现“完全晶化”和“保持超细纳米晶粒”。这也成为进一步提升透明纳米陶瓷性能的重要限制。本研究通过多主元玻璃体系设计，实现了三种晶相的同步析出。在热处理过程中，不同晶相协同析出形成大量异相界面，使晶粒长大必须伴随组分重新分配和长程阳离子扩散，从动力学上显著抑制晶粒粗化，从而实现纳米晶结构的稳定保持。通过结构表征发现，晶化后的材料由三种纳米晶相组成，并形成相互交织的多相结构。相比传统单相晶化体系中晶粒持续长大的过程，多相界面能够显著降低晶粒粗化速率，使材料在完全晶化状态下仍保持纳米尺度晶粒。进一步研究表明，多相界面结构不仅有效抑制晶粒长大，同时保持了材料良好的光学透明性，并使其力学性能提升了50%以上。该结果表明，复杂多相结构并非必然以牺牲透明性为代价；通过将晶粒和相界面尺度控制在深亚波长范围内，可同时利用多相界面抑制晶粒粗化并保持良好的光学透明性，为高性能透明纳米陶瓷提供了新的设计策略。相关成果以“Breaking the grain size limit of glass-crystallized transparent nanoceramics via multi-phase interface locking”为题发表在Nature Communications。

图1 多主元玻璃晶化过程及结构演变分析，揭示了多相晶化行为和晶粒尺寸调控过程

图2 多相界面互锁抑制晶粒粗化，获得约16 nm超细纳米晶结构

图3 多相纳米晶陶瓷光学性能展示，表明复杂多相结构仍可保持优异透明性

图4 纳米晶结构强化力学性能，实现透明陶瓷综合性能优化