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近年來(lái)，新能源、人工智能及信息通訊等領(lǐng)域的快速發(fā)展使得相關(guān)器件尺寸不斷微小化，器件所用材料的特征尺度也不斷向亞微米甚至納米尺度減小。然而，這些微納米尺度材料在長(cháng)期服役過(guò)程中的疲勞可靠性已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。值得注意的是，由于受幾何尺度的限制，疲勞加載下的微納尺度金屬材料內部無(wú)法形成如傳統疲勞理論認為的可引起疲勞損傷的微米尺度典型位錯組態(tài)（如位錯墻結構等），傳統疲勞理論已無(wú)法描述微納尺度金屬疲勞行為。澄清微納尺度（幾何尺度1 μm）金屬材料疲勞損傷微觀(guān)機制，建立新的疲勞理論已成為目前疲勞研究領(lǐng)域中有待解決的基礎科學(xué)問(wèn)題之一。

近期，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心的張廣平團隊在前期微納尺度金屬疲勞行為研究的基礎上(Acta Mater. (2006)、Nat. Commun. (2014)、Mater. Res. Lett. (2017)、J. Mater. Sci. Technol. (2021)、Adv. Mater. Tech. (2022))，發(fā)現無(wú)典型位錯組態(tài)出現的微納米厚度Au薄膜仍會(huì )出現疲勞擠出/侵入的循環(huán)應變局部化行為（圖1）。有趣的是，微納尺度Au薄膜的相對疲勞擠出高度是隨其幾何尺度減小而增加的，甚至比對應塊體粗晶材料高出近兩個(gè)數量級，而其疲勞性能卻明顯優(yōu)于塊體粗晶材料。結合疲勞損傷的截面觀(guān)察和空位缺陷的表征與理論計算，該團隊揭示了微納尺度金屬疲勞過(guò)程中位錯交互作用產(chǎn)生的空位及其擴散對疲勞擠出/侵入形成的作用機理，闡明了微納尺度金屬中空位輔助疲勞擠出/侵入生長(cháng)及疲勞損傷的物理機制（圖2）。這一空位主導的微納尺度金屬疲勞損傷機制的發(fā)現不僅將金屬疲勞理論從宏觀(guān)尺度擴展到微納米尺度，且為諸如新能源器件用復合集流體、柔性電子器件以及微機電系統機械部件的疲勞可靠性設計提出了一種基于空位行為調控的界面工程策略。

相關(guān)結果以“More severe surface relief but stronger fatigue resistance at small scales: vacancy-assisted fatigue damage mechanism”為題，在A(yíng)cta Materialia 274 (2024) 120028上進(jìn)行了詳細報道。沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心的陳紅蕾博士為論文第一作者，羅雪梅項目研究員和張廣平研究員為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、金屬研究所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”項目、中國科學(xué)院B類(lèi)先導專(zhuān)項等項目資助。

論文鏈接

圖1. (a)- (c) 930 nm厚Au薄膜表面疲勞擠出和侵入形貌和內部位錯結構，(d) 不同材料相對擠出高度值對比，包括塊體單晶、塊體多晶、微柱、薄箔和薄膜材料。

圖2. 從塊體向微納尺度減小的材料疲勞擠出/侵入損傷形成的微觀(guān)機制示意圖。