一、什么是孿晶

       孿晶是指兩個晶體（或一個晶體的兩部分）沿一個公共晶面（即特定取向關(guān)系）構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，這兩個晶體就稱為"孿晶"，此公共晶面就稱孿晶面。

       孿晶界可分為兩類，共格孿晶界和非共格孿晶界。共格孿晶界就是孿晶面，在孿晶面上的原子同時位于兩個晶體點(diǎn)陣的結(jié)點(diǎn)上，為兩個晶體所共有，屬于自然地完全匹配，是無畸變的完全共格晶面，它的界面能很低，約為普通晶界界面能的1/10，很穩(wěn)定，在顯微鏡下呈直線，這種孿晶界較為常見。

       如果孿晶界相對于孿晶面旋轉(zhuǎn)一個角度，即可得到另一種孿晶界——非共格孿晶界。此時，孿晶界上只有部分原子為兩部分晶體所共有，因而原子錯排較嚴(yán)重，這種孿晶界的能量相對較高，約為普通晶界的1/2。

       二、納米孿晶材料是什么？

       納米孿晶材料的微觀結(jié)構(gòu)是由許許多多納米尺度厚度的孿晶片層構(gòu)成的材料。通過引入高密度的孿晶面，在不損失材料延展性和熱穩(wěn)定性的前提下，大大提高了材料的強(qiáng)度，硬度、韌性，電導(dǎo)率等力學(xué)性能和電學(xué)性能。

       三、如何提高材料的強(qiáng)度而不損失其塑性？

       提高材料的強(qiáng)度是幾個世紀(jì)以來材料研究的核心問題。而迄今為止強(qiáng)化材料的途徑可分為四類：固溶強(qiáng)化、第二相彌散強(qiáng)化、加工（或應(yīng)變）強(qiáng)化和晶粒細(xì)化強(qiáng)化。這些強(qiáng)化技術(shù)的實(shí)質(zhì)是通過引入各種缺陷（點(diǎn)缺陷，線、面及體缺陷等）阻礙位錯運(yùn)動，使材料難以產(chǎn)生塑性變形而提高強(qiáng)度。但材料強(qiáng)化的同時往往伴隨著塑性或韌性的急劇下降，而高塑韌性材料的強(qiáng)度往往很低。強(qiáng)度和韌性是兩個相互掣肘的性能，長期以來，這種材料的強(qiáng)韌性“倒置關(guān)系”成為材料領(lǐng)域的重大科學(xué)難題和制約材料發(fā)展的重要瓶頸。

       傳統(tǒng)的材料強(qiáng)化技術(shù)多利用普通非共格晶界或相界阻礙位錯運(yùn)動來提高強(qiáng)度。當(dāng)材料中引入大量非共格晶界時，強(qiáng)度顯著提高（如納米晶體材料的強(qiáng)度較粗晶體材料高一個數(shù)量級），但隨著位錯運(yùn)動“阻礙物”（即非共格晶界）的不斷增多，晶格位錯運(yùn)動受到嚴(yán)重阻礙甚至被完全抑制而不能協(xié)調(diào)塑性變形，因此材料變脆。

       中國科學(xué)院院士、中科院金屬研究所研究員、沈陽材料科學(xué)國家研究中心主任盧柯院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新的材料強(qiáng)化原理及途徑，即利用納米尺度共格界面強(qiáng)化材料，這種方法可使金屬材料強(qiáng)化的同時提高韌塑性。這一研究成果曾發(fā)表在頂級刊物《Science》上。

       這一性能是利用材料中的孿晶-位錯交互作用：

       位錯滑移至孿晶界處受到阻礙而形成應(yīng)力集中，當(dāng)孿晶片層厚度減小的時候，孿晶內(nèi)部可塞積的位錯數(shù)減小，位錯穿過孿晶界所需的外加應(yīng)力提高，從而實(shí)現(xiàn)材料強(qiáng)化。

       位錯穿過孿晶界時，在孿晶界上可能產(chǎn)生可滑移位錯、不可動位錯、層錯。如果可滑移位錯與孿晶界相遇分解為一個進(jìn)入孿晶的不全位錯和一個留在孿晶界上的不全位錯，孿晶界就會吸納這個不全位錯，并且滑移，造成孿晶界的遷移。該過程可有效釋放變形產(chǎn)生的應(yīng)力集中，使孿晶界容納可觀的塑性應(yīng)變。而交互作用在孿晶界上產(chǎn)生的其他不可動位錯、層錯則使孿晶的共格結(jié)構(gòu)被逐步破壞。

       盧柯院士團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，納米尺度孿晶界面具備強(qiáng)化界面的三個基本結(jié)構(gòu)特征：

       （1）界面與基體之間具有晶體學(xué)共格關(guān)系；

       （2）界面具有良好的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性；

       （3）界面特征尺寸在納米量級（<100nm）。他們利用脈沖電解沉積技術(shù)成功地在純銅樣品中制備出具有高密度納米尺度的孿晶結(jié)構(gòu)（孿晶層片厚度<100nm）。發(fā)現(xiàn)         隨孿晶層片厚度減小，樣品的強(qiáng)度和拉伸塑性同步顯著提高。當(dāng)層片厚度為15nm時，拉伸屈服強(qiáng)度接近1.0GPa（是普通粗晶Cu的10倍以上），拉伸均勻延伸率可達(dá)13%。顯然，這種使強(qiáng)度和塑性同步提高的納米孿晶強(qiáng)化與其他傳統(tǒng)強(qiáng)化技術(shù)截然不同。

       此處要強(qiáng)調(diào)一下，納米孿晶材料中，不是納米片層越薄，材料性能越好。已經(jīng)有研究結(jié)果表明，孿晶片層的厚度有一個臨界尺寸，在這個尺寸的兩側(cè)的孿晶片層，具有完全不同的變形機(jī)理，大與它或小于它都會使得力學(xué)性能下降。

       理論分析和分子動力學(xué)模擬表明，高密度孿晶材料表現(xiàn)出的超高強(qiáng)度和高塑性源于納米尺度孿晶界與位錯的獨(dú)特相互作用。同時，利用納米尺度孿晶不但使金屬材料強(qiáng)化，還提高了其韌塑性。

       所以，這種神奇的納米共格孿晶結(jié)構(gòu)既保全了塑性又增加了強(qiáng)度，做到了魚和熊掌可以兼得。