在機械工業領域中，疲勞失效是普遍存在於各類大型機械設備中的一種物理現象。其特徵為材料的某一點或某些點在低於靜強度極限的交變應力持續作用下，使得材料內部產生局部的永久的並且逐步發展的結構變化過程（如位錯、滑移、孔洞、微裂紋、應力誘發相變等），在足夠多的交變次數下，這些缺陷可能會造成裂紋的積累或材料完全斷裂。疲勞失效問題已成為工程領域中關係到結構的使用安全性與經濟性的一個重要因素，而疲勞分析研究也就成了人們所關注的一個重要課題。目前，二維（2D）材料已經廣泛應用於機械和電子工業，在受到外力作用時，二維片層結構會由於其本身超高的強度、剛度和韌性發生彎曲變形，保持結構完整性的同時會沿著受力方向發生一定程度的取向，承擔外界施加的應力。但是，對於這類材料而言尚不清楚其是否具有疲勞失效現象？如果有，呢二維材料的疲勞壽命是多少？具體疲勞破壞機制是什麼？
基於此，加拿大多倫多大學Chandra Veer Singh團隊對於二維材料特別是石墨烯和氧化石墨烯進行了細緻的疲勞研究。單層石墨烯的疲勞失效沒有出現逐漸破壞的過程，而是全面性的和突然性的，通過分子模擬發現在應力作用下石墨烯發生了鍵的斷裂和重排。而功能化GO的疲勞失效機制則為局部的漸進式的破壞。
利用原子力顯微鏡進行疲勞測試
作者利用一種改進的原子力顯微鏡（AFM）技術，在2D石墨烯材料薄膜中心位置上首先加載一個靜態應力，然後AFM懸臂按照設定的頻率和振幅進行振盪，用於研究石墨烯的疲勞性能（圖1a）。利用AFM懸臂端振幅的突變和靜態信號發生偏差證明二維石墨烯材料疲勞失效的開始。
圖1 2D材料的疲勞測試方法示意圖
石墨烯的疲勞性能
作者通過上述的AFM測試方法發現當Fdc（靜態應力）從80%Ffracture（斷裂應力）降為50%Ffracture時，石墨烯的疲勞壽命從循環次數105增長為109，尚未有材料報道在如此高的平均應力和振幅下疲勞壽命能達到109次循環，這種應力水平至少比高強度鋼和航空鋁合金高一個數量級。但由於石墨烯脆性破壞的隨機性，疲勞失效數據多集中於高應力水平下。為了更好的瞭解這種隨機行為，作者在不同載荷應力下對石墨烯疲勞循環的失效率進行了威布爾統計分析，發現隨著循環次數的增加，石墨烯對於缺陷的敏感性逐漸增加（圖2b）。無論對於單層或雙層石墨烯而言，循環109次以上後發現石墨烯樣品的斷裂強度和彈性模量均為出現退化現象。所有數據均證明單層石墨烯要麼徹底失效，要麼在多次循環加載後未發生變化，未出現明顯的遞進損傷過程（圖2cd）。
圖2 石墨烯的疲勞測試
功能化石墨烯的疲勞性能
在Fdc為60% Ffracture以下時，5層以下GO樣品的疲勞失效循環次數超過109次，相比與多層GO樣品要高一個數量級（圖3a）。這種明顯的差異主要是因為在多層GO中存在著豐富的褶皺和部分層間夾層使得GO薄膜部分區域厚度不均勻，導致內部附近的應力集中從而促進局部裂紋的萌生和擴展（圖3b）。通過對比石墨烯和GO分別在靜態應力和交變應力加載下的斷裂形態發現，在兩種應力加載的情況下，石墨烯均出現了全面性的和突然性的疲勞失效，相比之下沒有致命缺陷的單層和多層GO薄膜則只是出現了局部的漸進的疲勞失效。
圖3 GO的疲勞測試
從原子論的角度解釋2D材料的疲勞機制
考慮到樣品存在一定的缺陷，實驗中在石墨烯和GO中分別引入一個空位缺陷。通過分子動力學模擬發現，當應力水平接近靜態斷裂應力時，石墨烯材料會發生全面性和突然性的疲勞失效；通過進一步研究發現單層石墨烯的疲勞失效機制主要是因為空位缺陷處的鍵電荷分佈不均勻導致出現鍵的斷裂和重組，進一步導致石墨烯突然的疲勞失效（圖4c）。相比之下，GO的疲勞載荷隨著循環次數的增加逐漸降低，GO的疲勞失效機制是局部和漸進式損壞，首先出現較小的損壞區域（淡黃色）然後逐漸長大合併為更大的缺陷（深綠色）。與石墨烯突然的疲勞失效不同，GO在受到機械應力作用下環氧官能團轉化為醚鍵，從而C-O-C賦予GO良好的塑性導致裂紋的擴展變緩慢。
圖4疲勞斷裂形態
該研究工作的先進性主要體現在以下幾點：1、疲勞現象同樣適用於原子級厚度的2D材料。2、石墨烯的109次疲勞循環週期證明2D石墨烯材料具有超高的動態可靠性。3、石墨烯和GO疲勞失效機理的不同，證明功能化是一種潛在的調整材料疲勞行為的方法。4、該疲勞試驗方法同樣適用於柔性電子器件的檢測。
圖5石墨烯和氧化石墨烯的MD疲勞模擬
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41563-019-0586-y
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