近日，上海交通大學(xué)物理與天文系孫弘教授的研究小組在國際著名雜志《自然》的子刊《自然通訊》上發(fā)表了題為“Large indentation strain stiffening in nanotwinned cubic boron nitride”的論文【Nature Communications 5, 4965 (2014)】，為人工合成超金剛石硬度的納米材料提供了新思路。

       金剛石是世界上已知最堅(jiān)硬的材料，其實(shí)驗(yàn)Vickers硬度達(dá)到約100GPa。然而，去年國內(nèi)研究小組在Nature雜志發(fā)表文章，報(bào)道新合成了比金剛石更堅(jiān)硬的納米結(jié)構(gòu)材料。這種新材料的實(shí)驗(yàn)Vickers硬度達(dá)到了108GPa。該材料是在普通的立方硼氮體材料中引入相距為幾納米的孿晶面而形成的納米孿晶立方硼氮（nt-cBN），其實(shí)驗(yàn)維氏硬度比單晶立方硼氮的實(shí)驗(yàn)維氏硬度（60GPa左右）高了近一倍。人們一直都認(rèn)為，材料中的孿晶面類似于一般的晶界面，能阻礙位錯(cuò)等缺陷的運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)材料的強(qiáng)度或硬度（Hall-Petch效應(yīng)）。但當(dāng)晶界面之間的間距小于某臨界值（十至幾十納米），晶界面本身的運(yùn)動(dòng)會(huì)造成材料強(qiáng)度或硬度的減弱（反常Hall-Petch效應(yīng)）。而nt-cBN的孿晶界面間距遠(yuǎn)小于臨界距離，不但沒有出現(xiàn)反常Hall-Petch效應(yīng)，nt-cBN的硬度反而成倍增強(qiáng)，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果一度令國內(nèi)外同行十分困惑，并產(chǎn)生極大興趣。人們開始研究間距極小孿晶面對(duì)材料強(qiáng)度影響的物理機(jī)理。

       材料有著各種不同的晶面與方向，沿著不同的方向具有不同抗形變能力，而材料的硬度遵循著木桶原理，即抗形變能力最低的方向，往往決定著材料的硬度。孫弘研究小組長(zhǎng)期從事超硬材料的第一性原理計(jì)算研究，利用第一性原理計(jì)算方法建立了一套精確預(yù)測(cè)材料維氏強(qiáng)度的計(jì)算軟件。該軟件能很好地解釋了金剛石、立方硼氮、FeB4、CrB4，以及BC2N等材料的實(shí)驗(yàn)維氏硬度。根據(jù)長(zhǎng)期的研究，他們發(fā)現(xiàn)單晶立方硼氮決定材料硬度的最弱方向強(qiáng)度為62Ga，而其相反方向則是材料的最強(qiáng)方向，其強(qiáng)度為130GPa。在此基礎(chǔ)上，他們的深入研究表明，由于孿晶面的能量比單晶結(jié)構(gòu)能量略高，當(dāng)引入了孿晶面，導(dǎo)致原子鍵形變往往會(huì)累積到孿晶面附近，隨著形變?cè)龃笞罱K使得孿晶面上的原子鍵重新組合成新的原子鍵，使得材料中原來的弱鍵方向轉(zhuǎn)化為強(qiáng)鍵方向，最終出現(xiàn)nt-cBN材料中原來弱鍵方向的強(qiáng)度都達(dá)到了130GPa，從而大幅提高了材料的強(qiáng)度或硬度。這種強(qiáng)度增強(qiáng)的效應(yīng)非常類似橡皮筋的拉伸過程，剛開始拉伸時(shí)橡皮筋很軟，隨著拉伸形變?cè)龃螅鹌そ顣?huì)變得越來越強(qiáng)（strain stiffening效應(yīng)）。下圖分別給出了孿晶面上原子鍵的重組過程和維氏強(qiáng)度隨材料切向形變的增強(qiáng)。
       這一機(jī)制，孫弘研究小組的計(jì)算結(jié)果很好地從原子分子的微觀尺度上解釋了nt-cBN材料硬度比金剛石高的物理本質(zhì)，解決了反常Hall-Petch效應(yīng)的困惑。該研究受到國家自然科學(xué)基金的資助。