近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室研究員盧磊領(lǐng)導(dǎo)的研究小組與研究員盧柯,、丹麥Risf國家實(shí)驗(yàn)室的黃曉旭博士合作,，利用共格孿晶界獨(dú)特的穩(wěn)定界面結(jié)構(gòu)獲得了具有超細(xì)特征尺寸的納米結(jié)構(gòu)金屬，并發(fā)現(xiàn)減小孿晶片層厚度將增加材料的強(qiáng)度,。這一發(fā)現(xiàn)表明,，當(dāng)純金屬的特征尺寸降低至納米量級時，由于塑性變形機(jī)制的變化會導(dǎo)致極值強(qiáng)度的出現(xiàn),，同時表現(xiàn)出一般金屬材料所不具備的超高加工硬化效應(yīng),。2009年1月30日，美國《科學(xué)》（Science）雜志報(bào)道了此結(jié)果,。評審人認(rèn)為,，作者在利用納米孿晶強(qiáng)化材料本質(zhì)方面獲得了具有重大意義的發(fā)現(xiàn)，不但豐富和拓寬了人們對納米尺度材料塑性變形的本質(zhì)的認(rèn)識,，同時也為進(jìn)一步發(fā)展高性能納米結(jié)構(gòu)材料及其應(yīng)用提供了重要線索,。
    普通多晶體金屬材料的強(qiáng)度通常隨晶粒尺寸的減小而升高。這種晶粒細(xì)化強(qiáng)化源于更多晶界的阻礙位錯運(yùn)動,，從而使塑性變形困難,。但是,，當(dāng)晶粒尺寸小至納米量級時，晶格位錯運(yùn)動將受到抑制,，塑性變形的控制機(jī)制由晶格位錯運(yùn)動逐步轉(zhuǎn)化為晶界行為,，從而使材料強(qiáng)度下降。因此,，理論分析和分子動力學(xué)模擬均預(yù)測,，當(dāng)金屬材料的晶粒尺寸小至納米量級時，其強(qiáng)度將出現(xiàn)一極大值,，隨晶粒尺寸進(jìn)一步減小會導(dǎo)致材料軟化,。然而，迄今為止,，這種極值強(qiáng)度在純金屬力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)中尚未觀察到,。其主要原因是制備超細(xì)晶粒尺寸（通常小于10納米）的納米材料非常困難：純金屬材料中晶粒具有很高的長大驅(qū)動力。通常,，晶粒愈小,，長大驅(qū)動力愈大，晶粒很容易在室溫狀態(tài)或更低的溫度下就發(fā)生長大,。因此,，如何制備出穩(wěn)定的超細(xì)特征尺寸的納米結(jié)構(gòu)材料并探索其本征變形機(jī)理，長期以來是納米金屬材料領(lǐng)域一大難題,。
    盧磊及其合作者采用脈沖沉積技術(shù),，通過細(xì)致的工藝探索在純銅樣品中成功地將孿晶片層平均厚度減小到約4納米，并發(fā)現(xiàn)減小孿晶片層厚度材料的強(qiáng)度增加,。當(dāng)孿晶片層厚度為15納米時,，材料強(qiáng)度達(dá)到最大值。進(jìn)一步減小孿晶片層,，強(qiáng)度反而減小,、出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。隨孿晶片層減小,，樣品的塑性和加工硬化能力單調(diào)增加,。當(dāng)孿晶片層小于10納米時，其加工硬化系數(shù)超過了粗晶純銅的加工硬化系數(shù),，即銅及銅合金的加工硬化系數(shù)上限,，表現(xiàn)出超高加工硬化能力。分析表明,，納米孿晶銅中極值強(qiáng)度的出現(xiàn),，是由于隨孿晶片層尺寸減小塑性變形機(jī)制從位錯孿晶界相互作用主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪\晶片層結(jié)構(gòu)中預(yù)存位錯運(yùn)動主導(dǎo)所致。而超高加工硬化效應(yīng)則來源于納米孿晶片層中大量孿晶界可有效吸納高密度位錯,，其位錯密度較一般多晶體中的飽和位錯密度高1～2個數(shù)量級,。

塑性變形過程中,，共格孿晶界可有效阻礙位錯，具有和普通晶界相似的強(qiáng)化作用,。同時，共格孿晶界又可作為位錯的滑移面吸納大量位錯,，與普通晶界相比,，孿晶界結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，其過剩能僅為普通晶界的十分之一,。因此,，納米孿晶結(jié)構(gòu)從能量上要比相同化學(xué)成分的納米晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定很多。這種穩(wěn)定的超細(xì)納米孿晶結(jié)構(gòu)的獲得不僅是傳統(tǒng)材料制備技術(shù)的突破,，同時也為深入研究金屬材料力學(xué)行為的納米尺寸效應(yīng)提供了可能,。