图.梯度纳米孪晶结构引起金属材料的额外强化和塑性。梯度纳米孪晶结构（GNT）具有孪晶片层厚度和晶粒尺寸的空间梯度结构。该材料表现出了良好的强-塑性协同，其屈服强度甚至超过了梯度微观结构中最强的部分。梯度纳米孪晶结构综合拉伸性能优异于及依靠非均匀结构变形机制强化的梯度纳米晶结构（GNG）和层状结构（multilayer）以及均匀纳米孪晶（NT）等结构。
在国家自然科学基金项目（项目编号：51420105001）等资助下，中国科学院金属研究所卢磊研究员课题组和美国布朗大学高华健教授研究组合作研究，发现增加结构梯度可实现梯度纳米孪晶结构材料强度和加工硬化的协同提高。研究结果以“Extra Strengthening and Work Hardening in Gradient Nanotwinned Metals”（ 梯度纳米孪晶金属的超强化和加工硬化）为题，于2018年11月2日在Science（《科学》）上在线发表，论文链接: http://dx.doi.org/10.1126/science.aau1925。
近来，微观结构梯度的概念被越来越多地应用于工程材料中。鉴于其独特变形机制，梯度结构材料往往表现出较好的强度、硬度、加工硬化及抗疲劳性能等。但如何理解结构梯度对力学性能影响规律是目前研究难点，原因之一是现有技术很难制备出结构梯度精确可调控的块体材料，从而严重限制了人们对梯度结构金属内在梯度与力学性能相关性以及其本征变形机制的理解。
卢磊研究小组利用直流电解沉积技术，实现孪晶片层厚度和晶粒尺寸沿样品厚度的梯度变化，获得结构梯度定量可控的纳米孪晶铜材料。研究表明，随结构梯度增加，梯度纳米孪晶铜的强度和加工硬化率同步提高；当结构梯度足够大时，其强度甚至超过了梯度微观结构中最强的部分。微观结构分析与分子动力学计算模拟结合发现，梯度纳米孪晶铜额外的强化和加工硬化归因于梯度结构约束而产生的大量几何必需位错富集束，且沿着梯度方向均匀分布在晶粒内部。这种均匀分布并且具有超高位错密度的位错富集束在材料变形过程中通过阻碍位错运动，抑制晶界应变局域化来提高梯度纳米孪晶结构的强度和加工硬化。该研究为发展新一代高强度/延性金属材料提供了新思路。