研究背景
立方氮化硼（cBN）是一種超硬共價晶體，因其極高的硬度、優異的熱穩定性和化學惰性，被廣泛應用于切削工具、耐磨涂層和高壓科學等領域。與傳統的金屬材料相比，cBN 具有更高的硬度和耐腐蝕性，然而，其固有的脆性嚴重限制了其在承受高應力環境中的應用。因此，如何在保持高強度的同時提升其韌性，成為該領域的重要挑戰。為此，燕山大學田永君院士、聶安民教授聯合浙江大學楊衛院士、王宏濤教授在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Activating deformation twinning in cubic boron nitride”的最新論文。基于加載特定的孿晶準則，在透射電子顯微鏡（TEM）內利用定制的雙傾機械臺，對單晶 cBN 亞微米柱進行了不同取向的原位單軸壓縮實驗。研究發現，在 <100> 取向的 cBN 柱中，成功激活了大范圍的形變孿晶，并與位錯介導的塑性變形協同作用，使材料的抗壓強度達到 92 GPa，同時實現了 55% 的應變。利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）分析，該團隊揭示了 cBN 形變孿晶遵循一種連續過渡介導的機制，這一機制不同于傳統金屬中的部分位錯滑移孿晶模式。本研究填補了超硬共價晶體形變孿晶機制的關鍵知識空白，并提出了一種通過形變孿晶克服共價脆性材料強度-韌性權衡的新策略。這一策略為 cBN 及其他超硬共價材料的微結構優化和性能提升提供了新的研究思路，有望在高強度、耐磨損材料的開發中發揮重要作用。
研究亮點
(1) 本研究首次在共價材料立方氮化硼（cBN）中激活了大范圍的形變孿晶，突破了長期以來認為共價材料難以發生孿晶的認知，并在室溫下實現了顯著的力學性能提升。(2) 研究通過在透射電子顯微鏡（TEM）內利用定制的雙傾機械臺，對單晶 cBN 亞微米柱進行了原位單軸壓縮實驗，發現 cBN 的形變機制具有明顯的取向依賴性。其中，<111> 和 <110> 取向的 cBN 柱表現為位錯主導的塑性變形，而 <100> 取向的 cBN 柱則發生了大范圍的形變孿晶，并與位錯塑性變形協同作用，使其具備高達 92 GPa 的抗壓強度和 55% 的應變。(3) 通過高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）分析，研究揭示了 cBN 的形變孿晶遵循一種連續過渡介導的機制，同時表現出類似金屬材料中部分位錯滑移介導的孿晶行為。 (4) 研究提出了一種基于加載特定的孿晶準則，并證實該準則可廣泛適用于一系列共價材料，為共價面心立方（fcc）材料的塑性變形機制提供了新的理解。
圖文解讀
圖 1：受特定載荷孿晶準則的啟發，在立方氮化硼中產生形變孿晶的方法。圖 2：形變孿晶誘導的立方氮化硼亞微米柱力學性能增強。圖 3：共價立方氮化硼cubic boron nitride，cBN中，連續轉變介導的變形孿晶機制。
結論展望
綜上所述，本文提出的孿晶準則成功預測了立方氮化硼（cBN）在環境條件下的形變孿晶現象。作者揭示的連續過渡機制在<100>取向的cBN中尤為顯著，并顯著提升了材料的強度和延展性。該機制與金屬體系中的孿晶機制存在本質區別，強調了化學鍵合在調控變形行為中的關鍵作用。連續過渡介導的孿晶形成機制的闡明，標志著對面心立方材料孿晶機制理解的重大進展。這一突破為共價材料的微結構工程提供了重要指導原則，通過精準調控變形機制，預計可進一步優化其力學性能，從而推動材料科學與工程領域的持續發展。Bu, Y., Su, Z., Huang, J. et al. Activating deformation twinning in cubic boron nitride. Nat. Mater. (2025). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02111-8
