近年来，随着新能源、人工智能及信息通讯等领域的快速发展，微米至纳米厚度的铜或金薄膜等金属薄膜已成为柔性电路板（FPC）、锂电复合集流体以及高性能芯片和传感器中的关键服役材料/部件。在柔性器件中，金属薄膜/多层膜结构往往受到反复拉伸、弯折或扭曲作用，导致性能下降甚至完全失效。因此，微纳米尺度金属薄膜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，金属薄膜在超长周次（>107次循环的超高周）疲劳行为研究至关重要。目前，尽管人们对金属薄膜的疲劳性能及损伤行为进行了大量的研究，但对于其在超高周次疲劳加载下的损伤行为及微观机理尚缺乏深入的认识。
为了提高金属薄膜与柔性高聚物基底之间的结合力，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前期提出了在薄膜与柔性基底间沉积一层超薄结合层的方法，不仅可以增加薄膜与基底间的结合力，且可改变薄膜损伤特性，显著提高了金属薄膜低周及高周疲劳寿命。在此基础上，最近，团队与德国伊尔默瑙工业大学的Peter Schaaf教授合作，研究了超高周疲劳加载下柔性PI基底上微纳米厚度Au和Au/Ti结合层薄膜超高周疲劳损伤行为，探究Ti结合层对Au薄膜超高周疲劳行为产生影响。研究发现，除了类似块体金属中出现的疲劳挤出及沿晶开裂行为外，Au薄膜表面还形成了大量的颗粒状丘起，并伴随着少量孔洞的形成；Ti中间层的引入增强了Au薄膜/PI基底界面结合力，降低了晶粒长大程度，从而一定程度上抑制了Au薄膜的疲劳损伤发展；除了位错滑移与晶界相关机制的开动外，超高周疲劳加载下随机的原子扩散效应起到了至关重要的作用，Au薄膜损伤行为的转变是多种损伤机制在不同应变加载下产生竞争的结果。为此，研究团队构建了不同厚度Au薄膜在不同应变幅下的损伤行为转变图，总结了不同分区下的金属薄膜超高周疲劳损伤行为的转变规律与损伤机制。这一研究发现不仅加深了人们对超高周疲劳载荷下微纳米尺度金属损伤微观机理的认识，且为具有超长疲劳寿命的柔性电子器件的设计提供了新策略。相关研究结果近期发表在J. Mater. Sci. & Tech. 上（DOI: doi.org/10.1016/j.jmst.2025.03.087）。文章第一作者为陈红蕾博士。本工作得到国家自然科学基金和辽宁省自然科学基金项目资助，并得到德国科学基金会资助的伊尔默瑙工业大学微纳米技术中心的支持。
图1 柔性基底上的超薄Au和Au/Ti薄膜的超高周疲劳损伤机制图
