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（即特定取向關系）構成鏡面對稱的位向關系，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陣的結點上，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構是由許許多多納米尺度厚度的孿晶片層構成的材料。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度，硬度、韌性，電導率等力學性能和電學性能。

       三、如何提高材料的強度而不損失其塑性？

       提高材料的強度是幾個世紀以來材料研究的核心問題。而迄今為止強化材料的途徑可分為四類：固溶強化、第二相彌散強化、加工（或應變）強化和晶粒細化強化。這些強化技術的實質是通過引入各種缺陷（點缺陷，線、面及體缺陷等）阻礙位錯運動，使材料難以產生塑性變形而提高強度。但材料強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度往往很低。強度和韌性是兩個相互掣肘的性能，長期以來，這種材料的強韌性“倒置關系”成為材料領域的重大科學難題和制約材料發(fā)展的重要瓶頸。

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

       中國科學院院士、中科院金屬研究所研究員、沈陽材料科學國家研究中心主任盧柯院士團隊研發(fā)了一種新的材料強化原理及途徑，即利用納米尺度共格界面強化材料，這種方法可使金屬材料強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力集中，當孿晶片層厚度減小的時候，孿晶內部可塞積的位錯數(shù)減小，位錯穿過孿晶界所需的外加應力提高，從而實現(xiàn)材料強化。

       位錯穿過孿晶界時，在孿晶界上可能產生可滑移位錯、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生的應力集中，使孿晶界容納可觀的塑性應變。而交互作用在孿晶界上產生的其他不可動位錯、層錯則使孿晶的共格結構被逐步破壞。

       盧柯院士團隊研究發(fā)現(xiàn)，納米尺度孿晶界面具備強化界面的三個基本結構特征：

       （1）界面與基體之間具有晶體學共格關系；

       （2）界面具有良好的熱穩(wěn)定性和機械穩(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構（孿晶層片厚度<100nm）。發(fā)現(xiàn)         隨孿晶層片厚度減小，樣品的強度和拉伸塑性同步顯著提高。當層片厚度為15nm時，拉伸屈服強度接近1.0GPa（是普通粗晶Cu的10倍以上），拉伸均勻延伸率可達13%。顯然，這種使強度和塑性同步提高的納米孿晶強化與其他傳統(tǒng)強化技術截然不同。

       此處要強調一下，納米孿晶材料中，不是納米片層越薄，材料性能越好。已經有研究結果表明，孿晶片層的厚度有一個臨界尺寸，在這個尺寸的兩側的孿晶片層，具有完全不同的變形機理，大與它或小于它都會使得力學性能下降。

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

       所以，這種神奇的納米共格孿晶結構既保全了塑性又增加了強度，做到了魚和熊掌可以兼得。