東華大學《Acta Materialia》：熱高壓調控鋰鋁硅微晶玻璃晶相及結構演化

微晶玻璃兼具玻璃的可加工性與晶體的高性能，在高端顯示、精密器件、生物材料和極端服役環境材料等領域具有廣闊應用前景。長期以來，人們主要通過成分設計和熱處理制度來調控微晶玻璃的晶相組成、晶粒尺寸及殘余玻璃結構，從而優化透明性、硬度和抗裂性等關鍵性能。然而，與溫度和成分相比，壓強這一熱力學變量在玻璃陶瓷結構調控中的作用仍遠未被充分認識。尤其是在 Li2O–Al2O3–SiO2（LAS）微晶玻璃體系中，壓強究竟如何影響晶化路徑、中程有序結構及力學響應，長期缺乏清晰的原子尺度證據。

近期，東華大學王連軍、丁林鋒團隊聯合賓夕法尼亞州立大學 John C. Mauro 教授團隊，在LAS微晶玻璃高壓誘導晶化研究方面取得重要進展。研究團隊提出了“壓強引導晶化（pressure-guided crystallization）”的新策略，系統揭示了高壓熱處理對晶相演化、中程有序重組及力學性能增強的協同調控機制。相關成果以 “Pressure-guided crystallization in glass-ceramics: Phase evolution, medium-range order reorganization, and mechanical property enhancement” 為題發表于國際材料學期刊 Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2026.122211

研究發現，在相同溫度條件下，壓強不僅影響體系的晶化程度，還會顯著改變晶相演化路徑及其轉變行為。隨著壓強升高，LAS 微晶玻璃中的晶相組合和納米結構發生明顯調整，表現出與常壓條件下不同的晶化特征。進一步研究表明，高壓作用并非簡單致密化，而是在保持短程結構基本穩定的同時，顯著重組中程有序結構，從而改變材料的相選擇與組織演化。

圖1 高壓條件下 LAS 微晶玻璃的相演化行為。(a) 常壓（1 atm）下不同晶化溫度樣品的 XRD 圖譜（插圖為主峰局部放大）； (b) 1 GPa 下不同晶化溫度樣品的 XRD 圖譜； (c) 740 ℃下不同壓強條件樣品的 XRD 圖譜； (d) 常壓下 Li?Si?O? 與 LiAlSi?O?? 相對含量隨晶化溫度的變化； (e) 常壓下晶化體積分數隨晶化溫度的變化； (f) 740 ℃下各晶相含量隨壓強的變化。

圖2 高壓誘導下鋁局域配位環境的變化。(a) 常壓熱處理（AP-HT）條件下不同溫度樣品的 2?Al MAS NMR 譜；(b) 740 ℃下不同壓強條件樣品的27Al MAS NMR 譜；(c) 1 GPa 下不同溫度樣品的27Al MAS NMR 譜；(d) 常壓熱處理條件下 [AlO4] type 1、[AlO4] type 2 和 [AlO5] 含量隨溫度的變化；(e) 740 ℃下上述鋁配位結構含量隨壓強的變化；(f) 1 GPa 下上述鋁配位結構含量隨溫度的變化。

在性能方面，熱高壓處理顯著提升了材料的硬度和楊氏模量，其中楊氏模量最高達到約 121 GPa。與此同時，材料的裂紋萌生阻力呈現非單調變化規律，表明壓強對性能的調控并非單一強化，而是與相組成演變、殘余玻璃結構和應力狀態密切相關。該研究建立了 LAS 微晶玻璃在高壓條件下“壓強—結構—性能”之間的關聯關系，為高性能透明微晶玻璃設計提供了新的理論依據。該項研究表明，壓強不僅是傳統意義上的致密化手段，還可以作為獨立的結構調控維度，主動參與微晶玻璃的晶化路徑設計與性能優化。這一工作為高透明、高剛度、高硬度、耐摔微晶玻璃材料的開發提供了新思路，也為極端環境下玻璃陶瓷材料的設計與應用拓展了新路徑。

圖3 高壓處理對 LAS 微晶玻璃力學性能的影響。(a) 常壓（1 atm）和 1 GPa 條件下，樣品維氏硬度（HV）隨晶化溫度的變化； (b) 常壓（1 atm）和 1 GPa 條件下，樣品楊氏模量隨晶化溫度的變化； (c) 樣品裂紋萌生阻力（CR）；CR 的定義及測定方法見補充材料圖 S11； (d) 740 ℃恒溫條件下，樣品楊氏模量隨壓強的變化； (e) 740 ℃恒溫條件下，樣品維氏硬度（HV）隨壓強的變化； (f) 740 ℃恒溫條件下，樣品密度隨壓強的變化。

論文第一作者為博士生劉爽，通訊作者為丁林鋒副研究員、John C. Mauro教授和王連軍教授。

本文來自“材料科學與工程”公眾號，感謝論文作者團隊支持。

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