2024年1月3日，燕山大学田永君、徐波及胡文涛共同通讯在Nature在线发表题为“Structural transition and migration of incoherent twin boundary in diamond”的研究论文，该研究报告了在室温下金刚石中六种ITB构型和结构转变的原子观察，显示了不同于金属系统的位错介导机制。

主导ITBs不对称且流动性较差，对纳米孪晶金刚石的连续硬化起着重要作用。该研究讨论了ITB活动的潜在驱动力。总之，该研究结果揭示了金刚石和共价材料中GB的行为，指出了开发高性能纳米孪晶材料的新策略。

另外，2022年7月6日，燕山大学，南开大学，芝加哥大学，中原工学院多单位合作（燕山大学为第一单位），赵智胜，田永君等团队合作在Nature在线发表题为“Coherent interfaces govern direct transformation from graphite to diamond”的研究论文，该研究报告了使用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜在从静态压缩中恢复的部分转化石墨样品中识别出由四个基本结构图案组成的相干石墨-金刚石界面。这些观察结果提供了对转变可能途径的深入了解。理论计算证实，与通过之前提出的其他路径的转换相比，通过这些相干界面的转换在能量上更受青睐。石墨到金刚石的转变受纳米级相干界面（金刚石成核）的形成控制，在静态压缩下，该界面会前进以消耗剩余的石墨（金刚石生长）。这些结果也可以揭示其他碳材料和氮化硼在不同合成条件下的转化机制。

2020年6月17日，燕山大学田永君，周向峰及北京航空航天大学郭林共同通讯在Nature在线发表题为“Hierarchically structured diamond composite with exceptional toughness”的研究论文，该研究报告了金刚石复合材料的结构表征，这些金刚石复合材料由相干的界面金刚石多型体（不同的堆积顺序），交织的纳米孪晶和互锁的纳米晶粒组成。复合材料的结构比单独使用纳米孪晶更能提高韧性，而不会牺牲硬度。单边缘缺口梁测试的韧性是合成金刚石的五倍，甚至比镁合金还高。当发生断裂时，裂纹通过之字形路径沿着{111}平面传播通过3C（立方）多型的金刚石纳米孪晶。当裂纹遇到非3C型的区域时，裂纹的传播会扩散成弯曲的裂缝，并在裂缝表面附近局部转变为3C金刚石。这两个过程都会耗散应变能，从而提高韧性。这项工作可能对制造超硬材料和工程陶瓷有用。通过使用具有硬化和增韧协同作用的结构体系，最终可以克服硬度和韧性之间的折衷（点击阅读）。

2014年6月11日，燕山大学田永君团队在Nature在线发表题为“Nanotwinned diamond with unprecedented hardness and stability”的研究论文，该研究表明纳米孪生微结构的创建为制造具有卓越的热稳定性和机械性能的新型先进碳基材料提供了一条通用途径。

2013年1月16日，燕山大学田永君团队在Nature在线发表题为“Ultrahard nanotwinned cubic boron nitride”的研究论文，该研究表明cBN的硬化是连续的，孪晶厚度降低至最小尺寸，与预期的反霍尔-Petch效应低于临界晶粒尺寸或在金属和合金中发现的〜10-15 nm的孪晶厚度相反。

晶界(GBs)作为多晶材料中的一种平面缺陷，已知会影响广泛的材料性能。例如，在纳米结构金属和超硬材料中，包含孪晶界的高密度GB可以强烈地阻碍位错运动，从而大大促进强化和硬化。根据热力学条件和加工历史的不同，GB可以采用多种构型，具有不同的边界性质，如扩散率、迁移率和内聚强度。越来越多的证据表明，在热或机械刺激下，不同的GB构型可能会发生相转变，从而导致微观组织演变(例如，异常晶粒生长和稳定的纳米晶合金)和材料性能(例如，液态金属脆化)的突变。由于大多数功能和工程材料都是多晶固体，因此深入了解GB结构及其转变对于进一步优化材料性能至关重要。为此，关于原子尺度上的GB配置和转换机制的详细信息至关重要。

在过去的十年中，利用最先进的透射电子显微镜在理论模拟的辅助下，在表征GB构型和阐明转变机制方面取得了实质性进展。这些研究为通过GBs工程和相关过渡开发材料提供了有见地的信息。例如，在铜中，在Σ19b(178) GB处发现了两种共存的GB构型，具有应力或热激活驱动的无扩散的一阶结构转变。在α-Al2O3双晶中，通过辐照诱导的局部应变驱动的结构转变，观察到Σ7[0001] GB的原子迁移，表明了GB活性中原子的协同shuffle运动。

nt-diamond中存在多个{112}ITB构型（图源自Nature）

在金属中观察到原子分辨率的GB迁移和滑动，并确定了涉及位错、断开和层错(SFs)的不同机制。然而，这些原子性的研究只限于金属和简单的离子氧化物。对于像金刚石这样具有方向性和更强化学键的共价材料，尽管进行了许多努力，但GB结构及其对外部机械刺激的响应仍然难以实现，这主要是由于样品制备和应用足够高的应力来激活缺陷的困难。然而，这些在金刚石中的研究对于寻找材料设计和性能增强的新机会具有范例意义。

原子分辨率下ITB跃迁的原位观察（图源自Nature）

在纳米孪晶、面心立方材料中，{112}非相干孪晶界(ITBs)作为Σ3{111}相干孪晶界(CTBs)之间的台阶普遍存在，其长度由相邻CTBs之间的间距决定。当{111}孪晶厚度低于几个纳米的临界值时，已在金属中广泛观察到{112}ITBs的快速迁移引起的软化。然而，在纳米孪晶金刚石(nt-diamond)中没有类似的软化现象，这表明ITBs在这种强共价材料中具有很高的稳定性。

该研究报告了在室温下nt-diamond中不同的{112}ITB构型，应力驱动的ITB转变和构型依赖的ITB迁移的原子分辨率观察。该研究确定了6种ITB构型，其中以超能较低的非对称构型为主。该研究还观察了电子辐照诱导的原位ITB活性，显示了ITB在原子尺度上由位错介导的转变和迁移。此外，主要的不对称ITBs以剪切耦合的方式缓慢迁移，这是{112}ITBs在应力作用下具有高稳定性的原因。

论文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06908-6

来源：iNature

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