【新闻中心讯】燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室田永君院士团队与浙江大学交叉力学中心杨卫院士团队合作，首次在室温下成功激活了立方氮化硼（cBN）和金刚石的形变孪晶塑性变形，并揭示了一种全新的“连续切变”孪晶机制。这一成果不仅填补了极端硬脆共价晶体形变孪晶研究的空白，更为拓展经典塑性理论边界、开发新一代高性能材料提供了重要科学依据。研究成果以“立方氮化硼中形变孪晶的激活”为题（Activating deformation twinning in cubic boron nitride），于2025年2月12日在线发表于Nature Material期刊。
形变孪晶是材料塑性变形的基本机制之一。在金属材料领域，形变孪晶理论已较为成熟，并广泛应用于提升材料强度与韧性，例如TWIP钢和橡胶金属等高性能材料的开发。然而，对于金刚石、cBN等极端硬脆的共价晶体，如何激活形变孪晶、揭示其机制并提升力学性能，一直是材料科学领域的未解难题。燕山大学与浙江大学团队从第一性原理出发，结合实验验证，提出了针对共价晶体的形变孪晶激活策略。研究发现，当沿特定方向（如<100>方向）施加压缩载荷时，cBN的临界切应力显著降低，形变孪晶机制得以主导塑性变形。这一策略不仅适用于cBN，还在金刚石、碳化硅（SiC）、砷化硼（BAs）和砷化镓（GaAs）等多种面心立方结构共价晶体中验证了普适性，为相关材料研究提供了全新范式。
研究团队自主研发的“X-Nano”原位透射电镜（TEM）样品台成为关键突破点。该设备具备五自由度的亚纳米级精确操作能力，并配备全球最硬的纳米孪晶金刚石压头，首次实现了对cBN形变孪晶的原子级动态观测（图1）。通过实验，团队发现了一种与传统金属晶体截然不同的孪晶机制——“连续切变”。传统金属材料的形变孪晶依赖不全位错的逐层滑移，而cBN的孪晶过程表现为（111）晶面下方所有原子的集体切变（图2）。这种机制形成了多层原子“过渡带”，能够均匀承载大应变，显著延缓裂纹产生。更令人振奋的是，金刚石块材中同样观测到类似现象，表明“连续切变”机制在极端硬脆材料中具有广泛适用性。研究显示，激活形变孪晶的cBN亚微米柱体展现出惊人的力学性能：断裂应变率高达55%，强度突破92 GPa，分别是大块单晶的55倍和17倍，较传统位错滑移机制样品提升2倍（图3）。这种性能飞跃源于形变孪晶与多种变形机制的协同效应，包括多孪晶系统激活、孪晶界对位错的吸收与阻碍等。形变孪晶不仅使塑性变形更均匀，还通过多机制协同大幅提升了材料的抗裂能力。这一发现为极端硬脆材料的性能优化开辟了新路径。
该研究首次将经典塑性理论拓展至共价晶体领域，为极端条件下材料设计提供了全新视角。在应用层面，成果有望推动超硬材料加工、高性能半导体器件、精密机械制造等领域的革新。例如，通过调控形变孪晶，可开发兼具高硬度与韧性的新一代刀具材料，或提升电子器件在复杂应力环境下的可靠性。
本项研究由燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室与浙江大学交叉力学中心合作完成，论文共同第一作者为卜叶强、苏正平、黄俊全和仝柯，通讯作者为聂安民和王宏涛。研究获得国家自然科学基金（52288102、52090022等）、河北省自然科学基金（E2024203054、E2022203109）等项目支持。
图1.五自由度亚纳米位移精度透射电镜样品台和超硬cBN中形变孪晶成功激活
图2.超硬cBN形变孪晶过程的原子分辨动态表征
图3.通过激活形变孪晶，实现cBN的强韧化
