陶瓷的脆性约束了其更广泛的使用。将细密多晶陶瓷的均匀晶粒尺度细化至几到十几纳米，有望经过晶界主导的塑性变形，如晶界滑动和晶粒旋转，处理陶瓷的脆性问题。因而，纳米晶陶瓷引起了广泛重视。可是，因为陶瓷烧结进程中大的粗化驱动力以及杂乱的细密-粗化动力学，经过无压烧结取得细密、超细晶纳米晶陶瓷极具挑战性。已报导的无压两步烧结制备的Al2O3纳米晶陶瓷的最小均匀晶粒尺度34 nm，好像到达了无压烧结Al2O3纳米晶陶瓷的最小晶粒尺度极限。
使用李建功教授课题组自主开发的制备技能，作者首要制备了彻底涣散且均匀颗粒尺度为7.4 nm的高纯α-Al2O3纳米颗粒(XRD谱、TEM相片及散布如图1)。经过在不同气氛下(空气、真空、氮气和氩气)的恒速率不保温烧结试验，作者发现，在不一样的温度和气氛下不保温烧结后Al2O3纳米晶陶瓷均具有均匀的等轴晶微结构。风趣的是，在相同温度不同气氛下烧结后，Al2O3纳米晶陶瓷展现出不同的相对密度，可是具有类似的均匀晶粒尺度(SEM相片及烧结曲线纳米颗粒的XRD谱(a)、TEM相片(b)及尺度累积散布曲线纳米颗粒经1000℃、1100℃和1200℃恒速率不保温烧结后的SEM相片：空气烧结(a, e, i)、真空烧结(b, f, j)、氮气烧结(c, g, k)和氩气烧结(d, h, l)。
图3. 7.4 nm 高纯α-Al2O3纳米颗粒在不同气氛下恒速率不保温烧结曲线：相对密度(a)、细密化速率dρ/dt(b)及均匀晶粒尺度(c)随烧结温度的改变。
因为相对低的烧结温度(1300℃)和高的晶界体积分数，无压烧结Al2O3纳米晶陶瓷的细密化，主要是经过晶界涣散。为了更好了解7.4 nm高纯α-Al2O3纳米颗粒在不同气氛下烧结背面的机制，作者使用恒速率不保温烧结数据，分别用Johnson和Herring模型，剖析了无压烧结进程中α-Al2O3纳米颗粒坯体晶界涣散动力学。发现由空气中烧结数据得到的晶界涣散激活能Ea与文献报导的成果类似(Johnson模型为5.14~6.16 eV, Herring模型为3.54~4.58 eV)。而由真空、氮气和氩气烧结数据得到的Ea，显着小于空气烧结数据得到的Ea，如图4。基于此，作者估测，在非氧化性气氛下Ea的减小主要是因为非氧化性气氛具有较低的氧分压，使Al2O3晶界构成更多的氧空位，很多的氧空位导致晶界结构疏松，降低了氧在Al2O3晶界涣散的妨碍。
作者对7.4 nm 高纯α-Al2O3纳米颗粒在不同气氛下进行了无压两步烧结。发现在第二步烧结进程中，Al2O3纳米晶陶瓷均未呈现十分显着的晶粒长大，且坚持了均匀的等轴晶微结构(图5)。与空气两步烧结比较，氮气和氩气中两步烧结Al2O3纳米晶陶瓷在较低的烧结温度就能到达彻底细密(ρ99%)，然后具有更小的均匀晶粒尺度(38 nm)。
为了取得均匀晶粒尺度Gavg30 nm的细密Al2O3纳米晶陶瓷，作者在氮气条件下对彻底涣散的均匀颗粒尺度5.0 nm的高纯α-Al2O3纳米颗粒(图6a和6b)进行了无压两步烧结，取得了相对密度ρ=99.5%和Gavg=29 nm (图6e和6f)的细密Al2O3纳米晶陶瓷。氮气中两步烧结Al2O3纳米晶陶瓷粗化比(烧结后均匀晶粒尺度与烧结前均匀颗粒尺度比值)仅为5.8，远低于文献报导的空气中两步烧结Gavg=34 nm的Al2O3纳米晶陶瓷粗化比7.2。这一依据成果得出，非氧化性气氛结合两步烧结法制备超细晶Al2O3纳米晶陶瓷的有用性与可行性。有必要留意一下的是，Gavg=29 nm均匀晶粒尺度是迄今为止文献报导的无压烧结细密Al2O3纳米晶陶瓷最小均匀晶粒尺度。
图6. 5.0 nm高纯α-Al2O3纳米颗粒TEM相片(a)和尺度散布柱状图(b)，在T1=1000℃氮气中不保温烧结的Al2O3纳米晶陶瓷的SEM相片和晶粒尺度散布柱状图(c, d)，在T1=1000℃和T2=900℃氮气中两步烧结40 h的Al2O3纳米晶陶瓷的SEM相片和晶粒尺度散布柱状图(e, f)。
为了验证晶粒细微的Al2O3纳米晶陶瓷的优异力学性能，作者用压痕法测试了Gavg=38和95 nm的细密Al2O3纳米晶陶瓷的硬度和断裂韧性。Gavg=95 nm的Al2O3纳米晶陶瓷的显微硬度HV=26.4 GPa，表现出显着的硬化效应。可是，当Gavg减小至38 nm，Al2O3纳米晶陶瓷表现出显着的软化(HV=18.7 GPa)和韧化(KIc=4.06 MPa∙m1/2)效应(图7)。Al2O3纳米晶陶瓷中高体积分数的晶界，有利于晶界滑动，产生塑性变形，使资料软化和韧化。
图7. 细密Al2O3陶瓷的显微硬度HV(a)和断裂韧性KIc(b)随均匀晶粒尺度Gavg的改变。
该论文发现高纯超细α-Al2O3纳米颗粒在空气中与在真空、氮气和氩气中烧结动力学存在很显着差异，这关于宽带隙且氧化复原不灵敏的Al2O3陶瓷来说是意想不到的。使用更细微的初始纳米颗粒(如3.5 nm)和逐渐优化的烧结条件(如氢气气氛)，有望取得Gavg20 nm的无压烧结细密超细晶Al2O3纳米晶陶瓷，有用彻底处理其脆性问题。
