材料的疲勞破壞沒有明顯的徵兆，研究疲勞行為對評估材料可靠性至關重要。而二維材料是否會表現出疲勞現象、損傷機制是什麼均不清楚。本文發現在平均應力為71 GPa，應力變化範圍為5.6 GPa下，疲勞壽命可以超過10^9周次，這種應力水平至少比高強度鋼和航空航天鋁合金的宏觀疲勞試驗高出一個數量級。
通常，材料在遠低於抗拉強度的循環載荷作用下會產生機械疲勞，因此研究疲勞行為對評估處於長期動力載荷下的材料可靠性至關重要。目前二維材料(2D)的疲勞壽命和損傷機理尚不清楚。近日，加拿大多倫多大學的研究者對獨立式(freestanding) 二維材料，特別是石墨烯和氧化石墨烯(GO)進行了疲勞研究。使用原子力顯微鏡研究發現，當平均應力為71 GPa，應力變化範圍在5.6 GPa時，單層和多層石墨烯的疲勞壽命超過10^9循環周次，比迄今為止報道的任何材料都要高。相關論文以題為“Fatigue of graphene”發表在國際頂刊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注的重要問題，相關研究最早可追溯到19世紀初。由於疲勞可以發生在應力水平遠遠低於靜態斷裂強度的情況下，研究疲勞行為和潛在的損傷機制對於新材料的應用至關重要，以便評估其長期可靠性。
二維材料(2D)現已廣泛應用於機械和電子領域，這些領域中材料常受循環應力的影響。然而，在這些原子級薄膜材料是否會表現出疲勞現象還不清楚。如果出現疲勞，又會衍生出以下問題：疲勞壽命是多少？潛在的損傷機制是什麼？儘管對石墨烯等2D材料的固有疲勞行為缺乏瞭解，但宏觀研究已經證明，即使只添加少量(<1wt%)石墨烯，也能將聚合物基複合材料的疲勞壽命提高約~1-2個數量級。
研究者借用原子力顯微鏡對石墨烯和氧化石墨烯進行疲勞研究。石墨烯的疲勞曲線(圖2a)顯示，當Fdc從~80%減少到~50%時，疲勞壽命顯著提高，從10^5個循環增加到10^9循環周次以上。對於直徑為2.5µm的石墨烯，基於非線性有限元分析，其平均應力為71 GPa，在50%的靜態斷裂力和5nm的尖端振幅下應力變化範圍為5.6 GPa。
在如此高的平均應力和應力幅值下，還沒有其他材料的疲勞壽命可以超過10^9個循環。這種應力水平至少比高強度鋼和航空航天鋁合金的宏觀疲勞試驗高出一個數量級。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的依賴性，但其抗疲勞性能均低於石墨烯。其他碳多晶型，如石墨和化學氣相沉積(CVD)鑽石，也被證明分別能在超過10^9和10^7循環周次存活，但其應力水平均小於1 GPa。研究還發現，單層石墨烯的疲勞失效是大範圍突變的，並沒有損傷累積；分子動力學模擬顯示，這是通過缺陷附近應力介導的鍵重構實現的。相反，氧化石墨烯中的官能團具有局部疲勞損傷累積機制。
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。
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複合材料的疲勞增強行為提供了基礎研究，也為其他二維材料的動態可靠性評估提供了新起點。石墨烯與氧化石墨烯之間的力學差異表明，功能化是調整疲勞行為的潛在途徑。這種疲勞測試方法也可以應用於其他廣泛應用於各種柔性電子應用的二維材料。（文：水生）
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