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作为基础性的工具材料，超硬材料在工业与科学研究领域发挥着重要的作用。发展高性能超硬材料一直是科学界和产业界共同奋斗的目标。我们从同时联系晶体硬度和电子结构的化学键出发，提出了共价晶体的压痕硬度为晶体中化学键对压头压入过程的综合阻抗的基本假设，建立了共价晶体硬度的微观模型。在此基础上，进一步揭示了纳米结构多晶共价材料中的两种主要硬化效应(霍尔-佩奇效应和量子限域效应)，随着显微组织特征尺寸的减小多晶共价材料可持续硬化，为大幅度提高材料的硬度指明了全新的发展方向。在多晶共价材料硬度模型指导下，我们成功合成出了纳米孪晶结构的立方氮化硼和金刚石块材，实现了硬度、韧性及热稳定性这三大工具材料性能指标的同时提高。我们的研究为获取高性能超硬材料打开了一条技术途径，有望带来机械加工业和高压科学领域的新变革。