通常，材料在远低于抗拉强度的循环载荷作用下会产生机械疲劳，因此研究疲劳行为对评估处于长期动力载荷下的材料可靠性至关重要。目前二维材料(2D)的疲劳寿命和损伤机理尚不清楚。近日，加拿大多伦多大学的研究者对独立式(freestanding) 二维材料，特别是石墨烯和氧化石墨烯(GO)进行了疲劳研究。使用原子力显微镜研究发现，当平均应力为71 GPa，应力变化范围在5.6 GPa时，单层和多层石墨烯的疲劳寿命超过10^9循环周次，比迄今为止报道的任何材料都要高。相关论文以题为“Fatigue of graphene”发表在国际顶刊Nature Materials上。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0586-y
一直以来，材料的疲劳破坏是研究者关注的重要问题，相关研究最早可追溯到19世纪初。由于疲劳可以发生在应力水平远远低于静态断裂强度的情况下，研究疲劳行为和潜在的损伤机制对于新材料的应用至关重要，以便评估其长期可靠性。
二维材料(2D)现已广泛应用于机械和电子领域，这些领域中材料常受循环应力的影响。然而，在这些原子级薄膜材料是否会表现出疲劳现象还不清楚。如果出现疲劳，又会衍生出以下问题：疲劳寿命是多少？潜在的损伤机制是什么？尽管对石墨烯等2D材料的固有疲劳行为缺乏了解，但宏观研究已经证明，即使只添加少量(<1wt%)石墨烯，也能将聚合物基复合材料的疲劳寿命提高约~1-2个数量级。
研究者借用原子力显微镜对石墨烯和氧化石墨烯进行疲劳研究。石墨烯的疲劳曲线(图2a)显示，当Fdc从~80%减少到~50%时，疲劳寿命显著提高，从10^5个循环增加到10^9循环周次以上。对于直径为2.5µm的石墨烯，基于非线性有限元分析，其平均应力为71 GPa，在50%的静态断裂力和5nm的尖端振幅下应力变化范围为5.6 GPa。在如此高的平均应力和应力幅值下，还没有其他材料的疲劳寿命可以超过10^9个循环。这种应力水平至少比高强度钢和航空航天铝合金的宏观疲劳试验高出一个数量级。超薄(亚微米)金属薄膜(如铜或金)的疲劳寿命对厚度和晶粒尺寸有很强的依赖性，但其抗疲劳性能均低于石墨烯。其他碳多晶型，如石墨和化学气相沉积(CVD)钻石，也被证明分别能在超过10^9和10^7循环周次存活，但其应力水平均小于1 GPa。
研究还发现，单层石墨烯的疲劳失效是大范围突变的，并没有损伤累积；分子动力学模拟显示，这是通过缺陷附近应力介导的键重构实现的。相反，氧化石墨烯中的官能团具有局部疲劳损伤累积机制。
图1 2D材料的疲劳性测试
图2 石墨烯的疲劳
图3 氧化石墨烯的疲劳
图4 疲劳断裂形态。
图5 石墨烯和氧化石墨烯的MD疲劳模拟。
本研究不仅为石墨烯纳米复合材料的疲劳增强行为提供了基础研究，也为其他二维材料的动态可靠性评估提供了新起点。石墨烯与氧化石墨烯之间的力学差异表明，功能化是调整疲劳行为的潜在途径。这种疲劳测试方法也可以应用于其他广泛应用于各种柔性电子应用的二维材料。
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