導(dǎo)讀：穩(wěn)定非平衡納米晶界可以提高納米晶金屬的強(qiáng)度。然而，對(duì)于這些穩(wěn)定晶界如何影響具有非均相界面的納米晶金屬層狀復(fù)合材料的疲勞行為，目前還缺乏深入的了解。為了在微機(jī)電系統(tǒng)中開發(fā)高性能的小部件，東北大學(xué)張濱教授等人制備了經(jīng)過(guò)不同程度退火處理的納米晶Ni/Ni- W層狀復(fù)合材料。結(jié)果表明，在200℃退火后，Ni/Ni- W層狀復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度顯著提高，比制備的復(fù)合材料高40%，比Pt-10高40%。% Au合金的含量為17%，是目前微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的最佳候選材料之一。疲勞強(qiáng)度的提高主要是由于退火引起的晶界松弛和機(jī)械引起的組織松弛。晶界弛豫通過(guò)提高GB的穩(wěn)定性來(lái)提高強(qiáng)度，而機(jī)械誘發(fā)的結(jié)構(gòu)弛豫導(dǎo)致三角形柱狀晶粒在疲勞加載過(guò)程中向Ni-W層粗化和擴(kuò)展。因此，三角形柱狀顆粒引發(fā)的彌散應(yīng)變局部化區(qū)在Ni層內(nèi)進(jìn)行了循環(huán)應(yīng)變積累，削弱了局部損傷積累，從而進(jìn)一步提高了抗疲勞性能。潛在機(jī)制的發(fā)現(xiàn)可能為設(shè)計(jì)在高溫下工作的微機(jī)電系統(tǒng)開關(guān)的高性能材料提供了一種有前途的方法。

微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(guān)非常適合通信系統(tǒng)，是微制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵小型化部件。這些開關(guān)大多由導(dǎo)電金屬膜組成，該金屬膜由靜電原理驅(qū)動(dòng)。MEMS開關(guān)經(jīng)常受到機(jī)械振動(dòng)或熱循環(huán)的影響，小型金屬部件的疲勞可靠性是長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性的潛在問(wèn)題。低電阻率和高可靠性是MEMS開關(guān)最重要的兩個(gè)性能標(biāo)準(zhǔn)，因此，金具有低電阻率和抗表面氧化性，是開關(guān)的典型導(dǎo)電膜材料。然而，在循環(huán)加載過(guò)程中，金的低強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)磨損、變形和粘附，最終導(dǎo)致MEMS開關(guān)失效。因此，探索新型金屬材料來(lái)改善開關(guān)的機(jī)械性能是保證MEMS器件可靠性的重要目標(biāo)。

Lee等人報(bào)道了貴金屬金合金的電阻率略高，同時(shí)硬度也有所提高，潛在地提高了機(jī)械強(qiáng)度。電沉積納米晶Ni薄膜代替昂貴的貴金屬作為MEMS器件的結(jié)構(gòu)材料，具有優(yōu)異的使用可靠性。此外，Ni的電阻率也不高于金，但具有與貴金屬相對(duì)應(yīng)的良好經(jīng)濟(jì)效益。然而，電沉積納米晶Ni的晶粒在高溫和/或機(jī)械載荷下容易發(fā)生粗化，這將導(dǎo)致強(qiáng)度急劇下降。降低晶界能量是減緩粗化過(guò)程的一種方法。這可以通過(guò)在Ni合金中添加W、Mo和Fe等元素來(lái)實(shí)現(xiàn)，這有助于減少溶質(zhì)偏析導(dǎo)致粗化的熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)力。從而提高了納米顆粒的穩(wěn)定性。然而，由于塑性變形的過(guò)早不穩(wěn)定，這些納米晶合金不可避免地會(huì)使小型部件的力學(xué)性能惡化。

最近的研究表明，由高密度非均質(zhì)層界面組成的納米級(jí)金屬層狀復(fù)合材料(LCs)，與傳統(tǒng)的高角度GBs組成的單片納米晶結(jié)構(gòu)相比，在強(qiáng)度和延展性之間表現(xiàn)出了非凡的協(xié)同作用。通過(guò)防止疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，可以顯著提高納米級(jí)碳纖維的疲勞性能。這主要得益于硬層的高強(qiáng)度和軟層優(yōu)異的變形能力。前期工作表明，Ni/Ni- W LCs在室溫下的疲勞性能明顯優(yōu)于那些單片納米晶Ni。盡管如此，機(jī)械部件的永久變形通常與溫度有關(guān)。由于MEMS封裝在大約200°C或更高的溫度下進(jìn)行，這將導(dǎo)致納米晶LCs的潛在退火松弛，并且由于懸臂梁開關(guān)的反復(fù)彎曲而導(dǎo)致的后續(xù)循環(huán)加載也可能導(dǎo)致LCs的機(jī)械誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)松弛。因此，納米晶碳纖維的熱穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性對(duì)其長(zhǎng)期使用的疲勞性能至關(guān)重要。

一些研究表明，納米晶材料在低溫退火過(guò)程中非平衡邊界的松弛對(duì)硬度的提高有重要作用。低溫退火引發(fā)的GBs處的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變使殘余的晶格缺陷消失，但避免了明顯的晶粒長(zhǎng)大，從而提高了強(qiáng)化能力。退火后的GB能量可以通過(guò)更有序的GB結(jié)構(gòu)來(lái)降低。因此，適當(dāng)?shù)腉B弛豫有望提高納米結(jié)構(gòu)的抗疲勞裂紋萌生能力。此外，機(jī)械誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)松弛可以削弱局部循環(huán)應(yīng)變，從而提高抗疲勞裂紋擴(kuò)展能力。Lu等研究發(fā)現(xiàn)，塑性變形可以通過(guò)多重孿晶引發(fā)納米金屬的結(jié)構(gòu)松弛，變形過(guò)程以部分位錯(cuò)活動(dòng)為主。由于GB與部分位錯(cuò)的相互作用，納米晶GB可以演化為低能態(tài)，原始GB通過(guò)發(fā)射層錯(cuò)被解離成兩個(gè)甚至三個(gè)GB。納米孿晶的形成可誘導(dǎo)GB弛豫至低能級(jí)并趨于穩(wěn)定。這些退火誘導(dǎo)的GB弛豫和機(jī)械誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)弛豫的研究表明，有必要研究退火和循環(huán)加載誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)弛豫對(duì)納米晶LCs疲勞性能的聯(lián)合影響。

在本工作中，張濱教授等人制備了經(jīng)過(guò)不同程度退火處理的納米晶Ni/Ni- W LCs。結(jié)果表明，在200℃下退火的Ni/Ni- W LCs具有優(yōu)異的疲勞強(qiáng)度，與沉積態(tài)相比提高了40%，與Pt-10相比提高了17%。% Au合金(目前MEMS開關(guān)的最佳候選者之一)。此外，他們揭示了適當(dāng)?shù)耐嘶鹫T導(dǎo)晶界弛豫和隨后的機(jī)械誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)弛豫在有效協(xié)調(diào)疲勞加載下LCs循環(huán)應(yīng)變積累方面發(fā)揮關(guān)鍵作用的基本機(jī)制。

相關(guān)研究成果以“Achieving high fatigue endurance of nanocrystalline Ni/Ni-W layered composites through thermally and mechanically-induced relaxations”發(fā)表在Acta Materialia上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645424004427?via%3Dihub

圖1所示。(a) AD， (b) AN-200， (c) AN-300， (d) AN-400， (e) AN-500樣品的橫斷面SEM觀察。(f) AD和AN-500樣品Ni層的面內(nèi)晶粒尺寸分布。

圖2所示。(a) AD和(b) AN-200樣品的橫截面亮場(chǎng)TEM圖像。(c) AN-200樣品Ni-W層中松弛的微小納米顆粒的橫截面HRTEM圖像，插圖分別為兩個(gè)顆粒的快速FFT圖。(d) AD和AN-200樣品的XRD譜圖。AD和AN-200樣品(e) Ni-W層的面內(nèi)晶粒尺寸分布。

圖3所示。(a)固定應(yīng)力幅σa = 360 MPa時(shí)，不同退火溫度下Ni/Ni- W LCs的循環(huán)次數(shù)與失效曲線的比較。(b)應(yīng)力幅值與AD、AN-200和Pt-10的失效循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。% Au，換算成R =?1的條件。箭頭表示運(yùn)行失敗。

圖4所示。(a)不同退火溫度下Ni/Ni- w lc的疲勞斷口(a)、(d)、(g)、(j)和斷面損傷形貌(b)、(c)、(e)、(f)、(h)、(i)、(k)、(l)的SEM觀察。

圖5所示。(a) AN-200試樣在σa = 437 MPa (R = 0.1)條件下6 × 106次循環(huán)疲勞后斷口附近變形區(qū)域的橫截面形貌及相應(yīng)的(b)、(c)區(qū)1、(d)、(e)區(qū)2變形損傷的放大觀察。

圖6所示。AN-200試樣在σa = 437 MPa (R = 0.1)下疲勞6 × 106的透射電鏡圖像。TCG形態(tài)的亮場(chǎng)(a)和暗場(chǎng)(b)分別為TEM圖像。(c)局部應(yīng)變區(qū)(圖中為虛線框區(qū)域的放大圖)，(d) Ni層的GB對(duì)中。

圖7所示。(a)疲勞斷裂后AN-200粗界面HAADF-STEM截面觀察。對(duì)應(yīng)的Ni和W元素沿(Ⅰ)和沿(Ⅱ)TCG的EDS線掃描剖面圖。(b-f) AN-200在應(yīng)力幅σa = 437 MPa (R = 0.1)條件下6 × 106疲勞斷裂后的面外TKD特征。

圖8所示。(a)疲勞加載前AN-200粗界面截面HAADF-STEM觀測(cè)，(b)為(a)的高倍放大觀測(cè)。粗界面處Ni、W元素的EDS線掃描剖面圖(c-d)和EDS圖(e-f)。

圖9所示。(a)疲勞加載前AN-200試樣粗界面處tcg的亮場(chǎng)TEM圖像和相應(yīng)的放大觀察(b)。(c) (b)陰影區(qū)域的HRTEM圖像，該區(qū)域包含層錯(cuò)和平行于生長(zhǎng)方向的ctb。(d) AN-200試樣在應(yīng)力幅σa = 437 MPa (R = 0.1)下疲勞斷裂6 × 106后，TCGs嵌入Ni-W層的亮場(chǎng)TEM圖像。(e) (d)中虛線框區(qū)域TCG尖端的近距離透射電鏡觀察。(f) (e)中TCG尖端的微小Ni-W納米顆粒的相應(yīng)HRTEM觀察。

圖10所示。可能的錯(cuò)取向角(φ)適合TCGs和微小的Ni-W納米顆粒在互孿機(jī)制下聚結(jié)。

圖11所示。(a) AN-200在應(yīng)力幅σa = 437 MPa (R = 0.1)下疲勞斷裂6 × 106次后的亮場(chǎng)透射電鏡圖像。(b)對(duì)(a)中虛線幀區(qū)域的近距離觀察。(c-e)分別為Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ區(qū)域?qū)?yīng)的詳細(xì)HRTEM圖像。插圖是快速FFT模式。

圖12所示。TCG形成機(jī)理示意圖。(a) AD樣品中細(xì)小的Ni- w TCG， (b)低溫退火誘導(dǎo)的GB弛豫使TCG變得有序，(c) TCG與TCG尖端微小的Ni- w納米顆粒和循環(huán)變形過(guò)程中Ni層形成的沉陷區(qū)相互孿晶生長(zhǎng)，(d)孿晶輔助TCG生長(zhǎng)并形成應(yīng)變局部化區(qū)。

對(duì)層狀Ni/Ni- W納米復(fù)合材料在不同退火溫度下的疲勞性能進(jìn)行了研究，探討了退火誘導(dǎo)疲勞耐久性提高的機(jī)理。得出以下結(jié)論:

（1) 退火誘導(dǎo)的GB弛豫和機(jī)械驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)弛豫表現(xiàn)出最佳的疲勞耐久性。在循環(huán)變形過(guò)程中，TCGs變長(zhǎng)變粗，有利于Ni層多個(gè)沉陷區(qū)和應(yīng)變局部化區(qū)域的形成，削弱了單個(gè)致命應(yīng)變局部化區(qū)域的形成。

（2）在疲勞加載過(guò)程中，以柱狀Ni-W納米晶粒為特征的TCG可以與TCG尖端的微小Ni-W納米晶粒相互孿晶，向Ni-W層擴(kuò)展。

（3）在疲勞載荷作用下，TCGs中以孿生和去孿生為特征的機(jī)械誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)松弛過(guò)程進(jìn)行了一定的循環(huán)應(yīng)變積累，從而進(jìn)一步提高了其抗疲勞能力。