分子动力学揭示氧化铝-二氧化硅凝胶陶瓷化的相变与微观结构演化机制

《Materials Advances》：Phase and microstructural evolution in the ceramization of alumina-silica single-phase and multi-phase gels verified by molecular dynamics: Unraveling the mechanisms of gel ceramization

本研究通过实验表征与分子动力学模拟相结合，基于原子尺度结合能理论，揭示了Al2O3-SiO2单相/多相凝胶在900-1400?°C热处理过程中陶瓷化的相变与微观结构演化机制。研究发现非晶SiO2作为柔性界面屏障可提升体系结合能与热稳定性，为凝胶陶瓷化过程的原子级调控提供理论依据。

　　

在先进陶瓷材料领域，氧化铝-二氧化硅（Al₂O₃-SiO₂）体系凝胶的陶瓷化过程一直是研究热点。这类材料在高温结构陶瓷、耐火材料和功能涂层等领域具有广泛应用前景。然而，凝胶在热处理过程中经历的相变和微观结构演化极为复杂，特别是单相与多相体系之间的差异机制尚不明确。传统实验方法难以在原子尺度揭示非晶SiO₂在陶瓷化过程中的作用，以及孔隙结构形成的本质原因。这些关键科学问题的突破，对精准调控陶瓷材料性能具有重要意义。

为深入探究这一过程，孙中原等研究人员在《Materials Advances》发表论文，通过实验表征与分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟相结合的方法，系统研究了Al₂O₃-SiO₂单相和多相凝胶在900°C至1400°C热处理时的演化规律。研究首次从原子结合能角度阐释了非晶SiO₂的界面屏障作用，为凝胶陶瓷化技术提供了新的理论支撑。

本研究主要采用高温热处理实验与分子动力学模拟相结合的技术路线。通过热处理实验在900-1400°C温度区间制备陶瓷样品，利用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）进行物相与微观结构表征。分子动力学模拟基于原子间相互作用势函数，计算体系结合能演化规律。所有凝胶样品由研究团队自主制备。

研究结果系统揭示了凝胶陶瓷化的全过程：

"相变演化规律"表明，900°C时陶瓷基质开始结晶并形成孔隙结构；1100°C启动致密化过程；1200°C时发生α-Al₂O₃再结晶和莫来石（mullite）形成，伴随孔-晶结构出现；1300-1400°C诱发二次再结晶。

"微观结构特征"显示，非晶SiO₂作为柔性界面屏障，有效减少了缺陷形成。分子动力学模拟进一步从原子尺度证实，添加非晶SiO₂可显著增强体系的平均结合能，提高热稳定性。

"结合能分析"结果表明，多相凝胶体系相比单相凝胶具有更高的原子间结合能，这为非晶SiO₂的界面稳定作用提供了量化依据。

研究结论证实，非晶SiO₂在凝胶陶瓷化过程中扮演着关键角色：一方面作为柔性相缓冲结晶应力，另一方面通过增强原子间相互作用提升热稳定性。该研究从原子尺度阐明了相变与微观结构演化的内在关联，为设计高性能Al₂O₃-SiO₂系陶瓷材料提供了理论指导。分子动力学模拟与实验表征的协同研究策略，为复杂材料体系的制备过程机理研究建立了新范式。