柔性器件用铜/石墨烯纳米层状复合材料疲劳性能及损伤机理研究

Aiming at the key issue of fatigue failure of flexible substrate-constrained metal films in the flexible devices subjected to repeatedly mechanical loading, in this project, new-type Cu/graphene nanolayered composites on the flexible substrates will be prepared through alternatively changing methods of magnetron sputtering-prepared Cu films on the flexible substrate and the preparation and the transfer of chemical vapor deposited graphene. By applying the cyclic load to three kinds of samples including pure Cu films, graphene-covered Cu films and bi-period Cu/graphene multilayers, fatigue properties and failure behavior will be investigated. The design principle of the Cu/graphene multilayered structures with high fatigue properties will be obtained. The mechanisms for fatigue crack initiation and failure will be clarified. The roles of the graphene and Cu/graphene interface in influencing the formation and evolution of fatigue damage will be elucidated. The expected results from the project will not only provide important base for the development of new-type flexible electrode materials, but also have theoretical significance on the development of fatigue theory and failure prediction model of metal/inorganic nanolayered composites.

针对柔性电子器件中服役的金属薄膜电极材料在柔性基板的约束下长期承受往复机械加载而容易发生疲劳失效这一关键问题，项目提出交替通过磁控溅射法在柔性基板上制备铜薄膜和通过化学气相沉积法制备并转移石墨烯的方法来制备柔性基板上的铜/石墨烯新型纳米层状复合电极材料。通过对柔性基板上制备的纯铜薄膜、石墨烯覆铜复合薄膜和含2个周期的铜/石墨烯层状复合材料三种样品施加循环载荷，对比研究铜/石墨烯层状材料的疲劳性能和失效行为；探索获得具有优异疲劳性能的铜/石墨烯层状复合材料的结构设计依据；澄清此类层状复合材料的疲劳裂纹萌生机制及疲劳失效机理；阐明石墨烯及铜/石墨烯界面在铜薄膜疲劳损伤形成与演化过程中的作用规律。项目研究不仅对于新型柔性电极材料的进一步发展具有重要的参考价值，且对于发展金属/无机非金属纳米尺度层状材料的疲劳理论与失效预测模型具有重要的理论意义。

项目针对柔性电子器件材料、传感器及驱动器件用材料在长期承受往复机械加载易于发生疲劳失效及如何提高柔性器件材料疲劳可靠性这一关键科学问题，开展了“柔性器件用铜/石墨烯纳米层状复合材料疲劳性能及损伤机理”的基础研究。. 项目设计了具有微米、亚微米和纳米尺度铜（Cu）/石墨烯（Gr）组成的三种层状复合材料，采用磁控溅射物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积以及石墨烯湿法转移等技术手段，在柔性聚酰亚胺基体上成功制备了三种尺度的Cu/Gr复合材料样品，对比研究了表面覆Gr对不同尺度Cu薄膜样品在拉伸和疲劳载荷下的服役可靠性及微观机制。获得了在不牺牲材料电性能的前提下具有高力学可靠性的Cu/Gr柔性电极材料。研究发现：在微米尺度Cu箔上覆Gr的样品与裸Cu箔样品的高周疲劳寿命基本相当，而低周疲劳寿命反而明显下降；在亚微米尺度Cu箔表面覆Gr样品的抗疲劳损伤能力及服役可靠性得到了提高；在纳米尺度Cu薄膜上覆Gr样品的强度、疲劳性能和电性能均得到提高。通过对材料中的位错行为、Cu/Gr界面特性的微观表征及理论计算，阐明了Gr与不同尺度Cu组成的复合材料的界面特性对三种样品中的位错运动约束、疲劳损伤形成、演化及裂纹扩展的影响规律。在此基础上，开发了具有高服役可靠性及传感和驱动性能的柔性金属/石墨烯、碳纳米管器件材料。. 本项目研究所获得的研究结果与发现不仅对于发展微/纳米尺度金属/无机非金属层状复合材料的疲劳理论、阐明金属/无机非金属界面对不同尺度金属疲劳损伤形成影响的作用机理具有重要的理论意义，且对于新型柔性电极材料及传感、驱动器件材料的进一步发展具有重要的应用价值。