研究背景
变形孪晶是一种与位错滑动同等重要的机制，它促进了晶体中的宏观塑性剪切应变，尤其在具有低层错能的面心立方（fcc）金属中。对金属系统的大量研究证实，促进变形孪晶可通过维持均匀变形和阻止位错运动，可以同时增强强度和塑性。尽管孪晶在金属晶体中的重要性已得到证实，但其在共价晶体中的表现及其对室温下力学行为的影响仍有待证实，主要是由于共价材料固有的高硬度和脆性给相关研究带来了巨大挑战。
此外，共价材料中变形孪晶的原子级机制（如果存在）尚未被阐明。在fcc金属中，变形孪晶被认为是一种非均匀过程，涉及1/6<112>肖克利部分位错在连续（111）平面上的滑动。基于这种理解，已发展出多种fcc金属变形孪晶模型，如极机制、棱柱滑动机制和断层偶极子机制等。然而，鉴于金属和共价材料之间化学键和机械响应的显著差异，这些金属模型与共价晶体的相关性尚不确定。尽管在单晶金刚石亚微米柱中观察到异常位错控制的塑性变形，但很少有关于共价材料变形孪晶的全面研究，尤其是其对力学性能和潜在原子机制的影响。
研究成果
近日，燕山大学聂安民教授&浙江大学王宏涛教授通过在透射电子显微镜内采用五自由度纳米操纵台，揭示了立方氮化硼的载荷特定孪晶准则，并成功激活了大变形孪晶，显著提高了室温下<100>取向的立方氮化硼亚微米柱的力学性能。除了立方氮化硼，这一准则也被证明广泛适用于其他共价材料。对立方氮化硼原子级孪晶动力学的研究表明，存在一种连续的孪晶过渡机制。这些发现大大提高了我们对共价面心立方材料中孪晶机制的理解，并为通过微观结构工程提升这些材料在应用中的强度和韧性开辟了一条极具前景的新途径。
相关研究工作以“Activating deformation twinning in cubic boron nitride”为题发表在国际顶级期刊《Nature Materials》上。
研究内容
在这项研究中，在特定载荷孪晶准则的指导下，利用透射电子显微镜（TEM）内定制设计的双倾斜机械台，对不同取向的单晶cBN亚微米柱进行了原位单轴压缩试验。结果揭示了取向相关变形机制：在<111>和<110>取向的cBN柱中，位错控制塑性变形；而在<100>取向的cBN柱中，存在广泛的变形孪晶。后者结合位错介导的塑性变形，最终实现了92GPa的卓越抗压强度和55%的应变。
高分辨率TEM（HRTEM）分析揭示了cBN中连续过渡介导的变形孪晶机制，以及金属晶体中常见的部分位错滑移介导的孪晶。这项研究填补了超硬共价晶体中变形孪晶的关键知识空白，并提出了一种通过变形孪晶克服脆性共价材料强度-韧性权衡的可行策略。这一方法与之前依赖特定前体和极端高压高温条件在金刚石和立方氮化硼中诱导纳米孪晶的方法有显著不同，为共价材料的微观结构设计提供了全新的思路。
图1. 受特定载荷孪晶准则启发，在cBN中产生变形孪晶的方法
图2. cBN亚微米柱中变形孪晶诱导的机械性能增强
图3. 共价cBN中连续转变介导的变形孪晶机制
图4. DFT-MD模拟
结论与展望
总之，这项研究提出的孪晶判据准确地预测了共价cBN在环境条件下变形孪晶的发生。所发现的变形孪晶的连续过渡机制，尤其在<100>取向的cBN中表现得尤为明显，显著提高了材料的强度和延展性。这一机制与金属体系中发现的机制存在本质区别，突显了化学键在影响变形行为中的关键作用。连续转变介导的孪晶形成机制的阐明，代表了理解fcc材料内孪晶机制的重大飞跃。这一突破为类似共价材料的微观结构工程提供了关键见解，并确立了指导原则。通过精准调控变变形机制，有望进一步提升材料的力学性能，从而为材料科学与工程的突破性发展提供广阔前景。
