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(zhǎng)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(nèi)部無(wú)法形成如傳統(tǒng)疲勞理論認(rèn)為的可引起疲勞損傷的微米尺度典型位錯(cuò)組態(tài)(如位錯(cuò)墻結(jié)構(gòu)等)，傳統(tǒng)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機(jī)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(chǔ)科學(xué)問(wèn)題之一。
 

　　近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心的張廣平團(tuán)隊(duì)在前期微納尺度金屬疲勞行為研究的基礎(chǔ)上(Acta Mater. (2006)、Nat. Commun. (2014)、Mater. Res. Lett. (2017)、J. Mater. Sci. Technol. (2021)、Adv. Mater. Tech. (2022))，發(fā)現(xiàn)無(wú)典型位錯(cuò)組態(tài)出現(xiàn)的微納米厚度Au薄膜仍會(huì)出現(xiàn)疲勞擠出/侵入的循環(huán)應(yīng)變局部化行為(圖1)。有趣的是，微納尺度Au薄膜的相對(duì)疲勞擠出高度是隨其幾何尺度減小而增加的，甚至比對(duì)應(yīng)塊體粗晶材料高出近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，而其疲勞性能卻明顯優(yōu)于塊體粗晶材料。結(jié)合疲勞損傷的截面觀察和空位缺陷的表征與理論計(jì)算，該團(tuán)隊(duì)揭示了微納尺度金屬疲勞過(guò)程中位錯(cuò)交互作用產(chǎn)生的空位及其擴(kuò)散對(duì)疲勞擠出/侵入形成的作用機(jī)理，闡明了微納尺度金屬中空位輔助疲勞擠出/侵入生長(zhǎng)及疲勞損傷的物理機(jī)制(圖2)。這一空位主導(dǎo)的微納尺度金屬疲勞損傷機(jī)制的發(fā)現(xiàn)不僅將金屬疲勞理論從宏觀尺度擴(kuò)展到微納米尺度，且為諸如新能源器件用復(fù)合集流體、柔性電子器件以及微機(jī)電系統(tǒng)機(jī)械部件的疲勞可靠性設(shè)計(jì)提出了一種基于空位行為調(diào)控的界面工程策略。
 

　　相關(guān)結(jié)果以“More severe surface relief but stronger fatigue resistance at small scales: vacancy-assisted fatigue damage mechanism”為題，在Acta Materialia 274 (2024) 120028上進(jìn)行了詳細(xì)報(bào)道。沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心的陳紅蕾博士為論文第一作者，羅雪梅項(xiàng)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(guó)家自然科學(xué)基金、金屬研究所“引進(jìn)優(yōu)秀學(xué)者”項(xiàng)目、中國(guó)科學(xué)院B類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目資助。
 

　　圖1. (a)- (c) 930 nm厚Au薄膜表面疲勞擠出和侵入形貌和內(nèi)部位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，(d) 不同材料相對(duì)擠出高度值對(duì)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機(jī)制示意圖。