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中国科学院金属研究所微纳尺度金属疲劳研究取得新进展

仪表网 2024-06-14
          近年来,新能源、人工智能及信息通讯等领域的快速发展使得相关器件尺寸不断微小化,器件所用材料的特征尺度也不断向亚微米甚至纳米尺度减小。然而,这些微纳米尺度材料在长期服役过程中的疲劳可靠性已成为业界关注的焦点。值得注意的是,由于受几何尺度的限制,疲劳加载下的微纳尺度金属材料内部无法形成如传统疲劳理论认为的可引起疲劳损伤的微米尺度典型位错组态(如位错墙结构等),传统疲劳理论已无法描述微纳尺度金属疲劳行为。澄清微纳尺度(几何尺度1 μm)金属材料疲劳损伤微观机制,建立新的疲劳理论已成为目前疲劳研究领域中有待解决的基础科学问题之一。
 
  近期,中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心的张广平团队在前期微纳尺度金属疲劳行为研究的基础上(Acta Mater. (2006)、Nat. Commun. (2014)、Mater. Res. Lett. (2017)、J. Mater. Sci. Technol. (2021)、Adv. Mater. Tech. (2022)),发现无典型位错组态出现的微纳米厚度Au薄膜仍会出现疲劳挤出/侵入的循环应变局部化行为(图1)。有趣的是,微纳尺度Au薄膜的相对疲劳挤出高度是随其几何尺度减小而增加的,甚至比对应块体粗晶材料高出近两个数量级,而其疲劳性能却明显优于块体粗晶材料。结合疲劳损伤的截面观察和空位缺陷的表征与理论计算,该团队揭示了微纳尺度金属疲劳过程中位错交互作用产生的空位及其扩散对疲劳挤出/侵入形成的作用机理,阐明了微纳尺度金属中空位辅助疲劳挤出/侵入生长及疲劳损伤的物理机制(图2)。这一空位主导的微纳尺度金属疲劳损伤机制的发现不仅将金属疲劳理论从宏观尺度扩展到微纳米尺度,且为诸如新能源器件用复合集流体、柔性电子器件以及微机电系统机械部件的疲劳可靠性设计提出了一种基于空位行为调控的界面工程策略。
 
  相关结果以“More severe surface relief but stronger fatigue resistance at small scales: vacancy-assisted fatigue damage mechanism”为题,在Acta Materialia 274 (2024) 120028上进行了详细报道。沈阳材料科学国家研究中心的陈红蕾博士为论文第一作者,罗雪梅项目研究员和张广平研究员为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、金属研究所“引进优秀学者”项目、中国科学院B类先导专项等项目资助。
 
  图1. (a)- (c) 930 nm厚Au薄膜表面疲劳挤出和侵入形貌和内部位错结构,(d) 不同材料相对挤出高度值对比,包括块体单晶、块体多晶、微柱、薄箔和薄膜材料。
 
图2. 从块体向微纳尺度减小的材料疲劳挤出/侵入损伤形成的微观机制示意图。
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