研究背景
立方氮化硼（cBN）是一種超硬共價(jià)晶體，因其極高的硬度、優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性，被廣泛應(yīng)用于切削工具、耐磨涂層和高壓科學(xué)等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)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(yán)重限制了其在承受高應(yīng)力環(huán)境中的應(yīng)用。因此，如何在保持高強(qiáng)度的同時(shí)提升其韌性，成為該領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。為此，燕山大學(xué)田永君院士、聶安民教授聯(lián)合浙江大學(xué)楊衛(wèi)院士、王宏濤教授在“Nature Materials”期刊上發(fā)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(zhǔn)則，在透射電子顯微鏡（TEM）內(nèi)利用定制的雙傾機(jī)械臺(tái)，對(duì)單晶 cBN 亞微米柱進(jìn)行了不同取向的原位單軸壓縮實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)，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(cuò)介導(dǎo)的塑性變形協(xié)同作用，使材料的抗壓強(qiáng)度達(dá)到 92 GPa，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 55% 的應(yīng)變。利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）分析，該團(tuán)隊(duì)揭示了 cBN 形變孿晶遵循一種連續(xù)過(guò)渡介導(dǎo)的機(jī)制，這一機(jī)制不同于傳統(tǒng)金屬中的部分位錯(cuò)滑移孿晶模式。本研究填補(bǔ)了超硬共價(jià)晶體形變孿晶機(jī)制的關(guān)鍵知識(shí)空白，并提出了一種通過(guò)形變孿晶克服共價(jià)脆性材料強(qiáng)度-韌性權(quán)衡的新策略。這一策略為 cBN 及其他超硬共價(jià)材料的微結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能提升提供了新的研究思路，有望在高強(qiáng)度、耐磨損材料的開(kāi)發(fā)中發(fā)揮重要作用。
研究亮點(diǎn)
(1) 本研究首次在共價(jià)材料立方氮化硼（cBN）中激活了大范圍的形變孿晶，突破了長(zhǎng)期以來(lái)認(rèn)為共價(jià)材料難以發(fā)生孿晶的認(rèn)知，并在室溫下實(shí)現(xiàn)了顯著的力學(xué)性能提升。(2) 研究通過(guò)在透射電子顯微鏡（TEM）內(nèi)利用定制的雙傾機(jī)械臺(tái)，對(duì)單晶 cBN 亞微米柱進(jìn)行了原位單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) cBN 的形變機(jī)制具有明顯的取向依賴(lài)性。其中，<111> 和 <110> 取向的 cBN 柱表現(xiàn)為位錯(cuò)主導(dǎo)的塑性變形，而 <100> 取向的 cBN 柱則發(fā)生了大范圍的形變孿晶，并與位錯(cuò)塑性變形協(xié)同作用，使其具備高達(dá) 92 GPa 的抗壓強(qiáng)度和 55% 的應(yīng)變。(3) 通過(guò)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(xù)過(guò)渡介導(dǎo)的機(jī)制，同時(shí)表現(xiàn)出類(lèi)似金屬材料中部分位錯(cuò)滑移介導(dǎo)的孿晶行為。 (4) 研究提出了一種基于加載特定的孿晶準(zhǔn)則，并證實(shí)該準(zhǔn)則可廣泛適用于一系列共價(jià)材料，為共價(jià)面心立方（fcc）材料的塑性變形機(jī)制提供了新的理解。
圖文解讀
圖 1：受特定載荷孿晶準(zhǔn)則的啟發(fā)，在立方氮化硼中產(chǎn)生形變孿晶的方法。圖 2：形變孿晶誘導(dǎo)的立方氮化硼亞微米柱力學(xué)性能增強(qiáng)。圖 3：共價(jià)立方氮化硼cubic boron nitride，cBN中，連續(xù)轉(zhuǎn)變介導(dǎo)的變形孿晶機(jī)制。
結(jié)論展望
綜上所述，本文提出的孿晶準(zhǔn)則成功預(yù)測(cè)了立方氮化硼（cBN）在環(huán)境條件下的形變孿晶現(xiàn)象。作者揭示的連續(xù)過(guò)渡機(jī)制在<100>取向的cBN中尤為顯著，并顯著提升了材料的強(qiáng)度和延展性。該機(jī)制與金屬體系中的孿晶機(jī)制存在本質(zhì)區(qū)別，強(qiáng)調(diào)了化學(xué)鍵合在調(diào)控變形行為中的關(guān)鍵作用。連續(xù)過(guò)渡介導(dǎo)的孿晶形成機(jī)制的闡明，標(biāo)志著對(duì)面心立方材料孿晶機(jī)制理解的重大進(jìn)展。這一突破為共價(jià)材料的微結(jié)構(gòu)工程提供了重要指導(dǎo)原則，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控變形機(jī)制，預(yù)計(jì)可進(jìn)一步優(yōu)化其力學(xué)性能，從而推動(dòng)材料科學(xué)與工程領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)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
