【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))開關(guān)芯片廣泛應(yīng)用于5G/6G通信、航空航天、工業(yè)控制及新能源等領(lǐng)域。作為核心元件之一，其微懸臂梁開關(guān)不僅需要具備優(yōu)異的導(dǎo)電性和高強(qiáng)度，還需在實(shí)現(xiàn)“開”與“關(guān)”狀態(tài)切換時(shí)承受高達(dá)1010次超高周循環(huán)的動(dòng)態(tài)彎曲變形。微懸臂梁材料能否在超高周疲勞載荷下保持高服役可靠性是制造高功率、低功耗高端MEMS開關(guān)芯片的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。雖然金及其合金憑借低電阻率和良好的可微加工性被廣泛用于微懸臂梁開關(guān)，但其較低的拉伸強(qiáng)度和疲勞抗力無法滿足超長疲勞壽命的要求。因此，如何發(fā)展高性能開關(guān)用微懸臂梁金屬材料的設(shè)計(jì)新原理與新技術(shù)，已成為業(yè)界亟需解決的關(guān)鍵問題之一。
中國科學(xué)院金屬研究所張廣平研究員團(tuán)隊(duì)近期成功研制了具有優(yōu)異性能的納米晶Ni/Ni-W層狀復(fù)合材料。研究團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的微小材料超高周疲勞測試系統(tǒng)，對該納米金屬材料的超高周疲勞性能及損傷機(jī)制進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，該材料在109次超高周動(dòng)態(tài)彎曲疲勞加載下的疲勞耐久性顯著優(yōu)于當(dāng)前主流MEMS開關(guān)材料(金及其合金)，與規(guī)定的門檻值相比，超長周次疲勞耐久性提升約60%。在超高周疲勞加載過程中，Ni-W合金層的納米晶粒發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，激活原子擴(kuò)散路徑，促使Ni原子從光滑的Ni/NiW界面向粗糙界面擴(kuò)散，進(jìn)而在NiW合金層形成化學(xué)成分梯度，使材料獲得“自我調(diào)節(jié)和修復(fù)”能力。其中：粗糙界面附近的貧W區(qū)增強(qiáng)了Ni與Ni-W層間的變形協(xié)調(diào)性，有效抑制應(yīng)力集中；平滑界面附近的富W區(qū)則因?qū)渝e(cuò)能降低及晶界結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)重構(gòu)，促使高密度納米孿晶和層錯(cuò)不斷形成，顯著減少了循環(huán)塑性應(yīng)變積累。該研究揭示，極端循環(huán)載荷下的“納米孿晶輔助晶粒有限粗化”與“擴(kuò)散調(diào)控化學(xué)成分梯度”機(jī)制的協(xié)同作用，可有效抑制材料循環(huán)應(yīng)變局部化并延緩損傷演變，這為大型高功率射頻/微波固態(tài)開關(guān)及射頻繼電器芯片的高性能材料設(shè)計(jì)提供了新原理。目前，該團(tuán)隊(duì)已與國內(nèi)芯片龍頭企業(yè)合作，成功實(shí)現(xiàn)了高性能微懸臂梁材料制備工藝與MEMS工藝的兼容，完成了新型MEMS開關(guān)芯片制造技術(shù)“從0到1”的突破。
相關(guān)成果以“Ultra-long fatigue life in nanocrystalline metallic laminated composites via diffusion-mediated chemical composition gradient”為題，發(fā)表于近期出版《Acta Materialia》上。研究獲得了中國科學(xué)院先導(dǎo)專項(xiàng)和云南省科技計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
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