晶界厚度在塑造固体材料力学性质中被忽视的作用

固体材料的世界并非仅由完美有序的晶体和完全无序的玻璃态构成。在这两种基本状态之间，自然存在着广阔的过渡区域——由晶粒被无序边界包裹组成的复合结构。当无序区域薄至单原子层时，便形成常见的多晶材料；而当其具有特定厚度时，则构成更普遍的晶体-非晶复合材料。从几何角度看，晶粒平均直径（D）与晶界平均厚度（l）理应成为描述这类材料结构的两个基本参数。在多晶材料研究中，晶粒尺寸如何影响力学性能已得到深入研究：随着晶粒直径减小，多晶材料的屈服强度σ_y会先升高（著名的Hall-Petch关系），后降低（反Hall-Petch关系）。

"令人惊讶的是，晶界厚度这个同样重要的结构参数对材料性能的影响却鲜有研究。缺乏实验研究可以理解，因为制备具有不同晶界厚度的样品系列十分困难。”韩一龙教授评论。”但计算机模拟不难，为何仍缺乏相关研究？这可能是由于不同领域间的术语壁垒和思维定势：晶体-非晶复合材料领域通常把晶相占比做为变量参数，而不是把D和l作为独立参数；而多晶领域仅将D作为参数，超过一两个原子厚的界面被称为无序相，而非晶界。"

针对这一研究盲区，香港科技大学韩一龙教授团队通过计算机模拟，首次在完整的（D, l）参数空间中对材料的强度、韧性和弹性模量等关键力学性能进行了系统研究。该项研究成果已于2025年9月发表于《国家科学评论》，博士后徐之镔为论文第一作者。

研究团队通过模拟不同粒子体系，将经典的Hall-Petch与反Hall-Petch关系σ_y(l)拓展为𝜎_𝑦(𝐷, 𝑙)。如图所示：在晶畴为单组分的面心立方材料中，当晶界厚度达到约6个原子直径时，材料强度达到峰值；延展性也同步达到最大值。这意味着将晶界厚度增至约6个原子直径，可同时提升材料强度与延展性，成功规避了常见的强度-韧性权衡。然而对于体心立方或多组分面心立方材料，增加晶界厚度只会持续软化材料。

徐之镔博士解释道："这些行为源于两类塑性机制的竞争：位错主导的晶体塑性变形与非晶区域剪切转变主导的塑性变形。在单组分面心立方材料中，厚晶界能抑制位错形核并吸收滑移位错，从而同步提高强度与延展性；而在体心立方或多组分材料中，由于位错摩擦应力较高，塑性变形主要由非晶区域承担，因此增加晶界厚度只会软化材料。"

近年来，实验上已成功制备出若干具有厚晶界的合金材料，其中部分材料的强度可超越其对应的多晶，其余则不能。该研究为这些看似矛盾的实验现象提供了合理解释。通过将（D, l）作为一对独立变量研究其对材料的影响，为未来设计具有高强度、高延展性等优异性能的固体材料提供了新思路。

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