【仪表网 研发快讯】MEMS(微机电系统)开关芯片广泛应用于5G/6G通信、航空航天、工业控制及新能源等领域。作为核心元件之一，其微悬臂梁开关不仅需要具备优异的导电性和高强度，还需在实现“开”与“关”状态切换时承受高达1010次超高周循环的动态弯曲变形。微悬臂梁材料能否在超高周疲劳载荷下保持高服役可靠性是制造高功率、低功耗高端MEMS开关芯片的关键挑战之一。虽然金及其合金凭借低电阻率和良好的可微加工性被广泛用于微悬臂梁开关，但其较低的拉伸强度和疲劳抗力无法满足超长疲劳寿命的要求。因此，如何发展高性能开关用微悬臂梁金属材料的设计新原理与新技术，已成为业界亟需解决的关键问题之一。
 

　　中国科学院金属研究所张广平研究员团队近期成功研制了具有优异性能的纳米晶Ni/Ni-W层状复合材料。研究团队利用自主研发的微小材料超高周疲劳测试系统，对该纳米金属材料的超高周疲劳性能及损伤机制进行了深入研究。研究发现，该材料在109次超高周动态弯曲疲劳加载下的疲劳耐久性显著优于当前主流MEMS开关材料(金及其合金)，与规定的门槛值相比，超长周次疲劳耐久性提升约60%。在超高周疲劳加载过程中，Ni-W合金层的纳米晶粒发生转动，激活原子扩散路径，促使Ni原子从光滑的Ni/NiW界面向粗糙界面扩散，进而在NiW合金层形成化学成分梯度，使材料获得“自我调节和修复”能力。其中：粗糙界面附近的贫W区增强了Ni与Ni-W层间的变形协调性，有效抑制应力集中；平滑界面附近的富W区则因层错能降低及晶界结构动态重构，促使高密度纳米孪晶和层错不断形成，显著减少了循环塑性应变积累。该研究揭示，极端循环载荷下的“纳米孪晶辅助晶粒有限粗化”与“扩散调控化学成分梯度”机制的协同作用，可有效抑制材料循环应变局部化并延缓损伤演变，这为大型高功率射频/微波固态开关及射频继电器芯片的高性能材料设计提供了新原理。目前，该团队已与国内芯片龙头企业合作，成功实现了高性能微悬臂梁材料制备工艺与MEMS工艺的兼容，完成了新型MEMS开关芯片制造技术“从0到1”的突破。
 

　　相关成果以“Ultra-long fatigue life in nanocrystalline metallic laminated composites via diffusion-mediated chemical composition gradient”为题，发表于近期出版《Acta Materialia》上。研究获得了中国科学院先导专项和云南省科技计划项目的支持。