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       上期了解了纳米孪晶这种神奇的结构在金属材料领域的应用，今天归纳一下其在超硬材料领域的重要研究成果。

科学家合成纳米孪晶立方氮化硼材料硬度超过钻石

       人们通常认为钻石是自然界硬度最高的物质，但燕山大学田永君院士团队在2013年合成出了一种硬度超越钻石的新材料——纳米孪晶立方氮化硼。这种纳米孪晶CBN块状样品具有光学透明性，维氏硬度测试可以达到108GPa（超越钻石的100GPa，），而一般市场上的立方氮化硼材料的硬度值只有其一半左右。
       硬度能够得到如此提升的奥秘在于其内部的纳米结构。科学家们使用洋葱般层状结构的氮化硼颗粒，然后将其在1800摄氏度高温和15GPa环境下压缩，在这种超高温高压条件下这些晶体发生再结晶并形成孪晶结构。在纳米孪晶结构中，相邻的原子共用一个边界，就像公寓楼里相邻的房间共用一堵墙壁一样。
       为了让晶体硬度更高，科学家们尽量让晶体颗粒的体积变小，这就让它的结构被瓦解的可能性大大降低，因为极小的颗粒就意味着要想在其紧凑的原子之间插入其它东西变得越发困难。然而随着晶体粒径尺度的变小，这样的做法遇到了瓶颈：在大约10纳米的尺度上，晶体结构的内在缺陷效应几乎已经开始抵消紧凑结构带来的稳定性了，反而开始削弱整体结构。然而纳米孪晶的形式可以进一步提升结构强度，对于氮化硼来说，其可以达到在4纳米尺度上保持强度。
       通过极端高温高压得到的晶体结构在极高的温度下也仍然是稳定的。这种材料还具有高氧化温度和高断裂韧性，远远超过商业化硬质合金的韧性。可以说，纳米孪晶立方氮化硼结构实现了优异的热稳定、化学稳定性和超高硬度的完美结合。从而使其成为适合工业应用的理想材料。

纳米孪晶金刚石的硬度和韧性大幅提高

       田永君院士团队及其合作者研究洋葱碳在高温高压下的相变过程，通过压缩洋葱碳，2014年成功合成出了硬度超过金刚石一倍的纳米孪晶面金刚石(nt-Dia)结构，创造了材料硬度新的世界纪录。在较高温度下，洋葱碳转变成了单相的纳米孪晶结构金刚石，孪晶的平均厚度小到5nm。这种纳米孪晶金刚石具有从未有过的硬度和稳定性：维氏硬度约为天然金刚石的两倍，在空气中的起始氧化温度比天然金刚石高出200摄氏度以上。

       为了研究其硬化机理，研究者们首先通过分析纳米孪晶金刚石中位错性质，将位错滑移划分为三种模式：塞积穿透模式、受限滑移模式及平行孪晶界滑移模式。然后，通过分子动力学方法，计算三种位错滑移模式下的临界分切应力。最后，根据相关模型，获得不同孪晶厚度纳米孪晶金刚石硬度，其计算值与实验结果很好吻合。该研究结果表明，纳米孪晶金刚石高的硬度主要取决于两个因素，一是金刚石高晶格摩擦力，另外一个是由霍尔佩奇效应引起的高的非热激活应力。

       田永君院士领导的团队，与美国芝加哥大学的王雁宾教授合作,利用分子动力学和第一性原理计算方法，研究了纳米晶和纳米孪晶金刚石的强化机理。对于纳米金刚石，拖拉面位错运动与晶界原子相关的运动之间的竞争导致了反霍尔-佩奇效应。对于纳米孪晶金刚石，虽然拖拉面位错运动仍然占主导，但由于沿孪晶界面的滑移在能量上并不比沿其他滑移面的滑移更具优势，所以孪晶界面不容易迁移，结构比较稳定。因此，随孪晶厚度的减小，孪晶界面仍能起到阻碍位错运动的作用，从而抑制了反霍尔-佩奇效应的产生。特别地，该研究将材料化学健与位错运动模式建立了关联，初步揭示了化学健的性质（例如方向性等）对位错运动行为的影响规律。该研究结果为材料力学性能的微观机理研究提供了一个新的见解。

       2020年，田永君院士等人表征了金刚石复合材料的结构，这种金刚石复合材料由相干的界面金刚石多型体（不同的堆积顺序），交织的纳米孪晶和互锁的纳米晶粒组成。复合材料的结构比单独使用纳米孪晶更能提高韧性，而且不会牺牲硬度，最终克服了硬度和韧性之间矛盾。测试结果表明，单边缘缺口梁的韧性是人造金刚石的五倍。
       2021年清华大学航天航空学院李晓雁教授课题组在《物理评论快报》上发表了题为“含不同多型体纳米孪晶金刚石的增韧和裂纹愈合机制”的研究论文。通过大规模分子动力学方法，并结合断裂力学理论，李晓雁团队从原子尺度上揭示了含不同多型体纳米孪晶金刚石的增韧和裂纹愈合机制，为设计和制备强韧协同的新型超硬材料提供了重要的理论基础。
       李晓雁教授团队首先建立了含有多种多型体结构和纳米孪晶的原子模型，然后采用大规模分子动力学方法模拟了裂纹在含不同多型体纳米孪晶金刚石中的扩展，研究了裂纹与纳米孪晶以及多型体之间的相互作用，并基于断裂力学理论定量计算了含不同多型体纳米孪晶金刚石的能量释放率（表征材料的断裂韧性），同时分析了纳米孪晶和不同多型体对于增韧的贡献。
       大规模分子动力学模拟结果揭示了三种典型的增韧机制：孪晶界和多型体的相界能够有效地阻碍裂纹的扩展，导致裂尖前方非局域化的塑性变形；裂纹在孪晶区或多型体区域会发生偏折，形成“之”字形或蜿蜒的裂纹扩展路径；裂尖的高应力水平导致裂尖区域发生相变，形成无序的原子链团簇。
       同时，分子动力学模拟结果展示了在卸载过程中，表面相对光滑的裂纹会发生逐渐愈合。这一裂纹愈合行为与卸载过程中裂纹表面的共价键重新形成有一定的关联，并且愈合的程度依赖于裂纹表面的光滑程度。这一裂纹愈合行为表明，相比于传统的金刚石，含不同多型体纳米孪晶金刚石具有更长的使用寿命。

       科学家们的努力让材料的种类越来越丰富，让我们逐步认识了科学的真谛，希望这些研究成果能逐步应用到我们的现代化建设中，发展成为生产力。感谢这些伟大的科学研究者，向他们致敬！