近日，期刊《Journal of Advanced Ceramics》于2025年发表了题为“highly toughened translucent glass matrix nanoceramics enhanced by amorphous al2o3”的研究论文，由来自瑞典乌普萨拉大学工程科学系的Huasi Zhou, Yang Liu, Håkan Engqvist, Wei Xia（通讯作者）以及来自中国中南大学材料科学与工程学院的Le Fu共同完成（Zhou H, Liu Y, Fu L, et al. j adv ceram 2025, 14(2): 9221032.）。本研究聚焦于先进牙科修复材料领域，旨在开发兼具高机械性能与优异透光性的新型玻璃陶瓷材料。
在牙科修复领域，陶瓷材料的应用经历了重要变革。早期引入的氧化锆基陶瓷，尤其是3摩尔%氧化钇稳定的四方相氧化锆多晶体（3Y-TZP），因其高强度推动了全瓷冠和固定桥的发展。然而，传统TZP陶瓷通常不透明，需要通过在其表面烧结一层美学饰面瓷来改善美观，但这一饰面层容易因亚临界裂纹扩展而导致崩脱或碎裂，造成修复体临床失败。因此，兼具高强度与高透光性的单一材料成为迫切需求。玻璃陶瓷因其可通过玻璃受控析晶获得、本质无孔、成分与性能可通过调整配方和热处理工艺进行剪裁、表面易于通过酸蚀处理进行改性以利于粘接等优点，被视为有潜力的牙科修复候选材料。然而，现有商业化的玻璃陶瓷（如云母基、白榴石基、二硅酸锂玻璃陶瓷）虽具有良好透光性，但其断裂韧性（0.7–1.5 MPa·m1/2）和抗弯强度仍显不足，限制了其在后牙桥或种植体基台等高承力区域的应用。为了提升力学性能，研究者们探索了多种方法，其中利用氧化锆的相变增韧效应是典型策略。最近发展的ZrO2–SiO2纳米晶玻璃陶瓷，将纳米氧化锆晶体嵌入非晶SiO2基体中，在保持高透光性的同时，获得了高达1014 MPa的抗弯强度和6.5 MPa·m1/2的断裂韧性，其增韧机制归因于ZrO2纳米晶在晶界处形成的三维互连纳米结构。研究还发现，掺杂钇离子（Y3+）会偏析于ZrO2晶粒边界，提高了晶界分离功。受此启发，并考虑到Al2O3自身的高强度和良好耐磨性，以及Al3+离子因尺寸与电荷与Zr4+不匹配、在TZP中溶解度低而同样具有在晶界偏析的倾向，本研究选择非晶Al2O3作为掺杂剂，旨在通过Al3+离子的界面偏析来调控ZrO2–SiO2纳米晶玻璃陶瓷的透光性和机械性能，以满足高端牙科修复材料的需求。本研究的具体目标是合成并研究不同Al2O3掺杂量的Al2O3–ZrO2–SiO2玻璃陶瓷，系统探究Al2O3对材料微观结构、光学及机械性能的影响。
本研究的工作流程主要包括粉末合成与陶瓷烧结、微观结构与性能表征两大步骤，涉及多个细致的实验环节。首先，在粉末合成与烧结阶段，研究采用溶胶-凝胶法（sol–gel route）制备了三种不同组成的Al2O3–ZrO2–SiO2原始粉末，其摩尔百分比分别为：5Al2O3–65ZrO2–30SiO2、5Al2O3–60ZrO2–35SiO2和10Al2O3–60ZrO2–30SiO2，并相应命名为5Al–65Zr–30Si、5Al–60Zr–35Si和10Al–60Zr–30Si。制备过程涉及两种前驱体溶液的混合与聚合。随后，凝胶经过干燥、行星式球磨，并在600°C下煅烧1小时以去除残留有机物和化学吸附的羟基。表征结果显示，煅烧后的粉末呈非晶态，仅有一个宽化的X射线衍射峰，无晶态SiO2或Al2O3的衍射峰，透射电镜也证实了其非晶结构，尽管其中存在一些尺寸小于10纳米的有序晶格条纹。元素分布图显示Zr、Al、Si、O元素均匀分布。接下来，采用放电等离子烧结系统对粉末进行致密化处理。烧结过程在石墨模具中于真空下进行，升温程序为：2分钟内升至366°C，然后以120°C/分钟升至900°C，再以30°C/分钟升至1150°C，并在1150°C下保温5分钟，全程施加60 MPa的压力。烧结后的样品经过抛光去除表面石墨纸，并在800°C的空气气氛中退火1小时以消除可能的氧空位和残余应力。
其次，在微观结构与性能表征阶段，研究团队进行了全面且深入的分析。物相组成通过X射线衍射仪分析，并利用Rietveld精修计算单斜相体积分数和四方相晶粒尺寸（采用Scherrer公式）。表面形貌及力学测试后的断口形貌通过扫描电子显微镜观察。为了识别ZrO2晶粒形貌，使用48% HF酸侵蚀样品以去除SiO2基体。选定样品的纳米尺度结构通过透射电子显微镜分析，包括明场像、高分辨像和高角度环形暗场扫描透射像。元素分布通过能量色散X射线谱测绘获得。光学性能方面，将样品抛光至1毫米厚度后，使用紫外-可见分光光度计测量透光率（定义为透射光强与入射光强之比）。机械性能测试包括：使用纳米压痕仪在8000 μN载荷下测量纳米硬度和弹性模量；使用维氏硬度计在2 kgf载荷下测量显微硬度，并根据Niihara和Palmqvist提出的公式，结合测得的硬度、弹性模量、压痕对角线半长和裂纹长度计算断裂韧性；采用活塞-三球法在万能试验机上测量双轴抗弯强度，并根据给定公式计算。每个样品至少进行20次压痕测试以确保数据可靠性。整个数据采集与分析流程遵循了材料科学领域的标准方法，未使用特殊自研的算法软件，但综合运用了先进的材料制备与表征技术，如溶胶-凝胶法结合放电等离子烧结的快速致密化工艺，以及多种显微分析技术的联用，构成了系统而严谨的研究链条。
本研究取得了若干重要结果，各步骤结果环环相扣，共同支撑了最终结论。在物相与微观结构方面，XRD结果显示所有烧结样品主要由四方相氧化锆组成，含有少量单斜相，未检出晶态SiO2和Al2O3。随着Al3+掺杂量的增加，单斜相体积分数从5Al–65Zr–30Si的4.2%降至10Al–60Zr–30Si的2.2%，同时四方相ZrO2的平均晶粒尺寸从44.6 nm减小至38.0 nm。SEM观察显示HF酸蚀后的ZrO2颗粒呈近球形且分布均匀。对10Al–60Zr–30Si样品的TEM分析进一步证实了ZrO2纳米晶（尺寸15-55 nm，平均33.3 nm）均匀分散在非晶SiO2基体中，并且在相邻晶粒间观察到了约0.8 nm厚的晶间界面层。最重要的发现之一是STEM-EDS元素分布分析：Al元素不仅以微小域的形式附着在ZrO2纳米颗粒表面，更关键的是在ZrO2晶粒之间的边界处发生了偏析，形成了一层约1 nm厚的薄层。高分辨TEM图像也显示出ZrO2晶格外层存在非晶Al2O3偏析区。这一结果直接关联到Al3+掺杂对材料性能的调控机制。
在光学性能方面，透光率测试显示，所有样品的透光率均随波长增加而提高，符合米氏散射理论。其中，10Al–60Zr–30Si样品表现出最高的透光率，而5Al–60Zr–35Si样品透光率最低。结合光学照片可以看出，10Al–60Zr–30Si样品呈白色半透明状，透光性更佳。研究分析认为，该样品具有最佳透光性的原因主要在于其最小的晶粒尺寸（散射系数随晶粒尺寸接近光波长而急剧增加），以及所有样品都达到了高于99.9%的密度且无可见孔隙。此外，退火处理通过消除因Al3+取代Zr4+及SPS还原气氛产生的氧空位所导致的色心，也提高了透光性并减少了变色。
在机械性能方面，结果呈现出清晰的规律：10Al–60Zr–30Si样品表现出最高的纳米硬度（12.87 GPa）、弹性模量（164.1 GPa）和断裂韧性（8.06 MPa·m1/2）。5Al–65Zr–30Si和5Al–60Zr–35Si样品的韧性较低，分别为5.02和4.51 MPa·m1/2。抗弯强度方面，5Al–65Zr–30Si样品最高，达960 MPa，与10Al–60Zr–30Si样品的938 MPa相当。这种断裂韧性与抗弯强度之间的不一致现象，在其它氧化锆增韧陶瓷中也有报道，归因于应力诱导的四方相向单斜相转变及其R曲线行为——强度受引发相变的临界应力限制，而韧性则随转变区高度增加而持续增长。断口形貌观察显示样品致密无孔，存在分叉的河流状花纹，表明裂纹扩展速度快，可能存在裂纹尖端的局部塑性。高倍率下可见纳米球形ZrO2颗粒。
这些结果逻辑紧密相连。微观结构表征揭示了Al3+在晶界的偏析现象，这直接解释了其带来的两个关键效应：一是Al3+的异价取代产生了氧空位，降低了四方相向单斜相转变的驱动力，同时偏析的Al3+通过溶质拖曳效应抑制了晶界迁移和晶粒生长，从而稳定了四方相并细化了晶粒。晶粒细化（10Al–60Zr–30Si）一方面根据Hall-Petch关系提高了硬度，另一方面减小了光散射源，从而提升了透光性。因此，10Al–60Zr–30Si样品同时获得了最高的韧性和最佳的透光性。二是Al3+偏析改变了晶界能和界面结合强度，加之在ZrO2晶粒外形成的非晶Al2O3域可以像“片晶”一样通过裂纹偏转阻碍裂纹扩展，这些共同贡献了显著的增韧效果。而5Al–65Zr–30Si样品由于ZrO2含量最高，其三维纳米结构能更有效地传递载荷并引发相变增韧，从而获得了最高的抗弯强度。所有性能数据共同指向一个结论：通过调控Al2O3的掺杂，可以有效平衡并优化ZrO2–SiO2玻璃陶瓷的透光性与力学性能。
本研究的结论是：通过放电等离子烧结技术，成功开发出了由非晶Al2O3增强的高透光、高韧性ZrO2–SiO2玻璃基纳米陶瓷。Al3+在ZrO2纳米晶粒边界的含量与偏析行为，对材料的微观结构和机械性能起着决定性作用。增加Al和Si含量可以降低单斜相分数并细化晶粒，这归因于Al3+改善了四方相稳定性并抑制了晶粒生长。具体而言，掺杂10 mol% Al2O3的样品具有最小的晶粒尺寸（38 nm），展现出最佳的透光性和最高的断裂韧性（8.05 MPa·m1/2）；而5Al–65Zr–30Si样品则表现出优异的抗弯强度（960 MPa）。材料的强化增韧机制被认为是ZrO2三维纳米结构与Al离子在晶界偏析共同作用的结果，后者改变了界面结合能进而影响机械性能。
本研究的价值体现在科学和应用两个层面。在科学层面，它深入揭示了异价离子（Al3+）在纳米复合玻璃陶瓷体系晶界偏析的行为、驱动机制（空间电荷理论）及其对相稳定性、晶粒生长、光学性能和力学性能的多重影响规律，丰富了纳米晶玻璃陶瓷的界面工程与性能调控理论。在应用层面，所制备的材料其力学性能（韧性8.05 MPa·m1/2，强度最高960 MPa）显著超越了现有商业化牙科玻璃陶瓷（韧性通常0.7-1.5 MPa·m1/2，强度通常160-450 MPa），同时保持了牙科修复所需的高透光性，展现出作为新一代高性能牙科修复材料（如后牙冠、桥体甚至种植体基台）的巨大潜力，有望减少修复体因力学性能不足导致的临床失败，推动牙科修复学的发展。
本研究的亮点突出：第一，重要发现是明确了非晶Al2O3掺杂引起的Al3+晶界偏析是同时提升ZrO2–SiO2纳米晶玻璃陶瓷韧性和透光性的关键机制，并获得了目前报道中该类材料最高的断裂韧性值（8.05 MPa·m1/2）。第二，研究方法的系统性在于综合运用了溶胶-凝胶法、放电等离子烧结以及从XRD、SEM、TEM（含HRTEM和STEM-EDS）到全套光学与机械性能测试的多尺度、多维度表征手段，构成了完整而严谨的材料“制备-结构-性能”关系研究链条。第三，研究目标的特殊性在于直击牙科修复材料领域“强度/韧性”与“透光性”难以兼得的核心挑战，通过巧妙的材料设计（利用界面偏析工程）取得了突破性进展。
此外，论文中还包含一些有价值的深入讨论，例如对透光性影响因素的细致分析（折射率差、晶粒尺寸、孔隙率、色心）、对断裂韧性与抗弯强度之间看似矛盾关系的理论解释（基于相变增韧的R曲线行为）、以及将Al3+偏析的驱动机制与经典的空间电荷理论相联系等，这些都增强了研究的深度和说服力，为同行研究者提供了丰富的参考和启发。