材料的疲勞破壞沒有明顯的征兆，研究疲勞行為對評估材料可靠性至關(guān)重要。而二維材料是否會表現(xiàn)出疲勞現(xiàn)象、損傷機(jī)制是什么均不清楚。本文發(fā)現(xiàn)在平均應(yīng)力為71 GPa，應(yīng)力變化范圍為5.6 GPa下，疲勞壽命可以超過10^9周次，這種應(yīng)力水平至少比高強(qiáng)度鋼和航空航天鋁合金的宏觀疲勞試驗(yàn)高出一個數(shù)量級。

通常，材料在遠(yuǎn)低于抗拉強(qiáng)度的循環(huán)載荷作用下會產(chǎn)生機(jī)械疲勞，因此研究疲勞行為對評估處于長期動力載荷下的材料可靠性至關(guān)重要。目前二維材料(2D)的疲勞壽命和損傷機(jī)理尚不清楚。近日，加拿大多倫多大學(xué)的研究者對獨(dú)立式(freestanding) 二維材料，特別是石墨烯和氧化石墨烯(GO)進(jìn)行了疲勞研究。使用原子力顯微鏡研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平均應(yīng)力為71 GPa，應(yīng)力變化范圍在5.6 GPa時，單層和多層石墨烯的疲勞壽命超過10^9循環(huán)周次，比迄今為止報道的任何材料都要高。相關(guān)論文以題為“Fatigue of graphene”發(fā)表在國際頂刊Nature Materials上。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41563-019-0586-y

一直以來，材料的疲勞破壞是研究者關(guān)注的重要問題，相關(guān)研究最早可追溯到19世紀(jì)初。由于疲勞可以發(fā)生在應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于靜態(tài)斷裂強(qiáng)度的情況下，研究疲勞行為和潛在的損傷機(jī)制對于新材料的應(yīng)用至關(guān)重要，以便評估其長期可靠性。

二維材料(2D)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于機(jī)械和電子領(lǐng)域，這些領(lǐng)域中材料常受循環(huán)應(yīng)力的影響。然而，在這些原子級薄膜材料是否會表現(xiàn)出疲勞現(xiàn)象還不清楚。如果出現(xiàn)疲勞，又會衍生出以下問題：疲勞壽命是多少？潛在的損傷機(jī)制是什么？盡管對石墨烯等2D材料的固有疲勞行為缺乏了解，但宏觀研究已經(jīng)證明，即使只添加少量(<1wt%)石墨烯，也能將聚合物基復(fù)合材料的疲勞壽命提高約~1-2個數(shù)量級。

研究者借用原子力顯微鏡對石墨烯和氧化石墨烯進(jìn)行疲勞研究。石墨烯的疲勞曲線(圖2a)顯示，當(dāng)Fdc從~80%減少到~50%時，疲勞壽命顯著提高，從10^5個循環(huán)增加到10^9循環(huán)周次以上。對于直徑為2.5?m的石墨烯，基于非線性有限元分析，其平均應(yīng)力為71 GPa，在50%的靜態(tài)斷裂力和5nm的尖端振幅下應(yīng)力變化范圍為5.6 GPa。在如此高的平均應(yīng)力和應(yīng)力幅值下，還沒有其他材料的疲勞壽命可以超過10^9個循環(huán)。這種應(yīng)力水平至少比高強(qiáng)度鋼和航空航天鋁合金的宏觀疲勞試驗(yàn)高出一個數(shù)量級。超薄(亞微米)金屬薄膜(如銅或金)的疲勞壽命對厚度和晶粒尺寸有很強(qiáng)的依賴性，但其抗疲勞性能均低于石墨烯。其他碳多晶型，如石墨和化學(xué)氣相沉積(CVD)鉆石，也被證明分別能在超過10^9和10^7循環(huán)周次存活，但其應(yīng)力水平均小于1 GPa。

研究還發(fā)現(xiàn)，單層石墨烯的疲勞失效是大范圍突變的，并沒有損傷累積；分子動力學(xué)模擬顯示，這是通過缺陷附近應(yīng)力介導(dǎo)的鍵重構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。相反，氧化石墨烯中的官能團(tuán)具有局部疲勞損傷累積機(jī)制。

圖1 2D材料的疲勞性測試

圖2 石墨烯的疲勞

圖3 氧化石墨烯的疲勞

圖4 疲勞斷裂形態(tài)。

圖5 石墨烯和氧化石墨烯的MD疲勞模擬。

本研究不僅為石墨烯納米復(fù)合材料的疲勞增強(qiáng)行為提供了基礎(chǔ)研究，也為其他二維材料的動態(tài)可靠性評估提供了新起點(diǎn)。石墨烯與氧化石墨烯之間的力學(xué)差異表明，功能化是調(diào)整疲勞行為的潛在途徑。這種疲勞測試方法也可以應(yīng)用于其他廣泛應(yīng)用于各種柔性電子應(yīng)用的二維材料。