上世纪50年代中叶，科学家们相继人工合成了金刚石和立方氮化硼单晶。从此，他们就成为工业界广泛使用的超硬材料，在现代加工业中发挥着不可替代的作用。超硬是指维氏硬度大于40 GPa，而极硬是指维氏硬度大于80 GPa。一直以来，金刚石号称是自然界中最硬的，硬度为60～100 GPa；立方氮化硼次之，硬度为30～43 GPa。由于金刚石的抗氧化温度低（约600℃）且与铁基材料反应，只能用于陶瓷类材料和铝、镁合金的加工。立方氮化硼的抗氧化温度高（约1100℃）且不与铁基材料反应，因此在钢铁材料加工行业中获得了广泛应用。遗憾的是，人工合成立方氮化硼单晶的硬度还不到金刚石单晶的一半，韧性也差。为此，大幅度提高立方氮化硼材料的硬度和韧性成为学术界和产业界的共同追求。

 

近十年来，田永君教授在国家杰出青年科学基金项目、重点项目、创新群体项目以及多项面上项目的持续资助下，致力于材料硬度的理论和实验研究。从化学键入手，2003年提出了共价晶体硬度的微观理论，解决了单晶硬度定量预测的理论难题。2012年，又将单晶硬度理论进行拓展，提出并建立了多晶材料硬度的理论模型。该模型预言：超细纳米结构可以使现有的硬材料变得超硬，使现有的超硬材料变得极硬。

 

在以上理论的指导下，田永君及其合作者首先采用一种具有类似俄罗斯套娃结构的洋葱氮化硼纳米颗粒为原料成功地合成出透明的纳米孪晶结构立方氮化硼，硬度达到108 GPa，超过金刚石单晶。孪晶平均厚度仅为3.8 nm，远低于传统知识中人们普遍认为的材料硬化的下限值，此时材料不仅没出现软化，反而持续硬化。更可喜的是，材料韧性和抗氧化温度也同时得到了明显提高。

 

其次，根据2012年提出的理论模型，他们认为多晶共价材料的硬化机制除了大家熟知的霍尔-佩奇效应，还有量子限域效应的附加贡献。由此可以断言：量子限域效应带来的硬化完全可以补偿反霍尔-佩奇效应引起的软化；随显微组织尺寸减小，多晶共价材料可以持续硬化却不发生软化。该研究的实验数据证实了这一论断，从而突破了人们对材料硬化机制的传统认识，为发展高性能超硬材料指明了方向。如果将这一原理和技术应用于其他材料特别是金刚石，其硬度、韧性和稳定性将得到大幅度提高，新的硬度记录将会诞生，这将对世界机械加工业的发展产生深远影响。