纳米孪晶（NT）金属[[1], [2], [3], [4], [5]]因其兼具高强度和良好的延展性而成为一类有前景的结构材料，这是传统材料难以实现的。大量的实验观察和建模研究[6,7]表明，孪晶界（TB）具有双重作用：它们作为位错滑移的强屏障，从而提高流动应力；同时允许位错滑移的传递和适应，实现持续的塑性变形和应变硬化。典型的例子包括纳米孪晶铜（NT Cu），其在约15纳米的孪晶厚度下可达到约900 MPa的峰值强度，并由于孪晶界介导的位错形核和存储而保持良好的延展性[4]。纳米孪晶316L不锈钢通过密集的孪晶网络实现了约771 MPa的屈服强度和约8%的均匀延伸率[8]。最近的研究还表明，梯度纳米孪晶铜在强度和应变硬化方面超越了纯柱状纳米孪晶铜[5]，这归因于位错与孪晶界以及梯度孪晶结构之间的相互作用。
关于纳米孪晶金属的综述和系统研究[[9], [10], [11], [12]]阐明了孪晶间距、晶体取向以及孪晶界缺陷结构（如拐角或不连续段）对位错形核、滑移和适应的影响，从而决定了宏观的强度-延展性行为。在微观层面，纳米孪晶金属的塑性变形受多种过程控制[10,[13], [14], [15], [16]，包括完整位错和部分位错的形核和滑移、在孪晶界的堆积、通过孪晶界的传递或吸收，以及缺陷结构的迁移或形态演变。重要的是，这些缺陷孪晶结构的存在提供了额外的变形途径[9,[17], [18], [19], [20]，例如在拐角处固定螺旋位错、从拐角-孪晶界交点处形核位错、通过拐角运动介导的孪晶界迁移，以及从拐角台阶处释放部分孪晶位错。
尽管缺陷孪晶结构可以为塑性变形提供额外途径并增强延展性，但它们通常具有内在的移动性，其迁移会削弱应变硬化和早期断裂[4,21]。特别是，不连续孪晶界的迁移及其相关的解孪晶过程会消除存储的部分位错并放松局部背应力，从而抑制几何上必需的位错积累。这一过程降低了加工硬化率并导致应变软化。例如，在轧制的纳米孪晶铜中，位错-孪晶界相互作用产生了更易移动的不连续孪晶界，这些孪晶界作为位错源，导致解孪晶、位错存储减少，最终引起软化[21]。孪晶间距小于约15纳米的纳米孪晶铜与孪晶间距较大的同类材料相比也表现出软化现象，因为移动性和缺陷孪晶界促进了部分位错的活动和解孪晶，减少了位错存储和加工硬化能力[4]。
一种有效的策略是通过引入纳米级第二相或利用溶质/沉淀物分离来稳定这些缺陷结构，以减轻缺陷孪晶结构的负面影响[[22], [23], [24], [25]]。纳米颗粒或分离的溶质层可以固定孪晶界内的拐角、台阶或不连续段，有效提高重新配置所需的应力，并迫使位错通过Orowan环运动绕过障碍物或局部增加交叉滑移的阻力。这两种机制都增强了位错积累，并保持了缺陷孪晶结构对塑性的贡献。例如，在纳米晶态纳米孪晶银（nanocrystalline-NT Ag）中，微量Cu（<1 wt.%）向晶界和孪晶界拐角台阶缺陷的迁移稳定了孪晶结构和晶界，抑制了缺陷引起的软化，使最大硬度达到3.05 GPa[26]。在纳米孪晶镍（NT Ni）合金的孪晶界台阶处富集Cr稳定了固有的台阶孪晶结构[27]，Cr作为位错运动的障碍物，促进了孪晶层内的位错积累，从而提高了强度和均匀延伸率。在超高强度纳米孪晶铜中，<1 vol%的不溶性W纳米颗粒固定了孪晶界，防止了高温下的孪晶界迁移[28]。
基于这些认识，我们探索了通过将纳米颗粒掺入纳米孪晶金属基体中来调控孪晶结构及其相关机械性能的潜力。通过直流共电沉积法制备了含有金刚石纳米颗粒的纳米孪晶铜（ND-NT Cu），实现了高密度的嵌入金刚石分散体以及富含不连续段和9R相的孪晶界。通过扫描电子显微镜（SEM）和高分辨率透射电子显微镜（TEM）的结合，系统地研究了这些缺陷孪晶的结构特征。为了评估其机械性能，进行了单轴拉伸测试，并进行了详细的变形后表征，直接关联了微观结构演变和宏观性能。补充的分子动力学模拟阐明了纳米颗粒对位错形核和存储的原子尺度影响。总体而言，这些研究表明，掺入金刚石纳米颗粒的纳米孪晶铜保留了传统材料的典型强度，但显著提高了断裂延伸率。大量的位错积累、解孪晶和孪晶碎裂现象表明，纳米颗粒分散的缺陷孪晶界可以介导多种变形过程，为纳米孪晶金属实现高强度和良好延展性的协同作用提供了新途径。
