一、什么是孪晶

       孪晶是指两个晶体（或一个晶体的两部分）沿一个公共晶面（即特定取向关系）构成镜面对称的位向关系，这两个晶体就称为"孪晶"，此公共晶面就称孪晶面。

       孪晶界可分为两类，共格孪晶界和非共格孪晶界。共格孪晶界就是孪晶面，在孪晶面上的原子同时位于两个晶体点阵的结点上，为两个晶体所共有，属于自然地完全匹配，是无畸变的完全共格晶面，它的界面能很低，约为普通晶界界面能的1/10，很稳定，在显微镜下呈直线，这种孪晶界较为常见。

       如果孪晶界相对于孪晶面旋转一个角度，即可得到另一种孪晶界——非共格孪晶界。此时，孪晶界上只有部分原子为两部分晶体所共有，因而原子错排较严重，这种孪晶界的能量相对较高，约为普通晶界的1/2。

       二、纳米孪晶材料是什么？

       纳米孪晶材料的微观结构是由许许多多纳米尺度厚度的孪晶片层构成的材料。通过引入高密度的孪晶面，在不损失材料延展性和热稳定性的前提下，大大提高了材料的强度，硬度、韧性，电导率等力学性能和电学性能。

       三、如何提高材料的强度而不损失其塑性？

       提高材料的强度是几个世纪以来材料研究的核心问题。而迄今为止强化材料的途径可分为四类：固溶强化、第二相弥散强化、加工（或应变）强化和晶粒细化强化。这些强化技术的实质是通过引入各种缺陷（点缺陷，线、面及体缺陷等）阻碍位错运动，使材料难以产生塑性变形而提高强度。但材料强化的同时往往伴随着塑性或韧性的急剧下降，而高塑韧性材料的强度往往很低。强度和韧性是两个相互掣肘的性能，长期以来，这种材料的强韧性“倒置关系”成为材料领域的重大科学难题和制约材料发展的重要瓶颈。

       传统的材料强化技术多利用普通非共格晶界或相界阻碍位错运动来提高强度。当材料中引入大量非共格晶界时，强度显著提高（如纳米晶体材料的强度较粗晶体材料高一个数量级），但随着位错运动“阻碍物”（即非共格晶界）的不断增多，晶格位错运动受到严重阻碍甚至被完全抑制而不能协调塑性变形，因此材料变脆。

       中国科学院院士、中科院金属研究所研究员、沈阳材料科学国家研究中心主任卢柯院士团队研发了一种新的材料强化原理及途径，即利用纳米尺度共格界面强化材料，这种方法可使金属材料强化的同时提高韧塑性。这一研究成果曾发表在顶级刊物《Science》上。

       这一性能是利用材料中的孪晶-位错交互作用：

       位错滑移至孪晶界处受到阻碍而形成应力集中，当孪晶片层厚度减小的时候，孪晶内部可塞积的位错数减小，位错穿过孪晶界所需的外加应力提高，从而实现材料强化。

       位错穿过孪晶界时，在孪晶界上可能产生可滑移位错、不可动位错、层错。如果可滑移位错与孪晶界相遇分解为一个进入孪晶的不全位错和一个留在孪晶界上的不全位错，孪晶界就会吸纳这个不全位错，并且滑移，造成孪晶界的迁移。该过程可有效释放变形产生的应力集中，使孪晶界容纳可观的塑性应变。而交互作用在孪晶界上产生的其他不可动位错、层错则使孪晶的共格结构被逐步破坏。

       卢柯院士团队研究发现，纳米尺度孪晶界面具备强化界面的三个基本结构特征：

       （1）界面与基体之间具有晶体学共格关系；

       （2）界面具有良好的热稳定性和机械稳定性；

       （3）界面特征尺寸在纳米量级（<100nm）。他们利用脉冲电解沉积技术成功地在纯铜样品中制备出具有高密度纳米尺度的孪晶结构（孪晶层片厚度<100nm）。发现         随孪晶层片厚度减小，样品的强度和拉伸塑性同步显著提高。当层片厚度为15nm时，拉伸屈服强度接近1.0GPa（是普通粗晶Cu的10倍以上），拉伸均匀延伸率可达13%。显然，这种使强度和塑性同步提高的纳米孪晶强化与其他传统强化技术截然不同。

       此处要强调一下，纳米孪晶材料中，不是纳米片层越薄，材料性能越好。已经有研究结果表明，孪晶片层的厚度有一个临界尺寸，在这个尺寸的两侧的孪晶片层，具有完全不同的变形机理，大与它或小于它都会使得力学性能下降。

       理论分析和分子动力学模拟表明，高密度孪晶材料表现出的超高强度和高塑性源于纳米尺度孪晶界与位错的独特相互作用。同时，利用纳米尺度孪晶不但使金属材料强化，还提高了其韧塑性。

       所以，这种神奇的纳米共格孪晶结构既保全了塑性又增加了强度，做到了鱼和熊掌可以兼得。