在手機乃至航天器中，藏著重要的微觀“開關(guān)世界”——微機電系統(tǒng)的開關(guān)芯片。其核心是比頭發(fā)絲細的“微懸臂梁”，可以把它想象成一個每秒不停彈跳數(shù)千次的微型彈簧。如何讓這個微型彈簧承受住上百億次的彎曲而不失效，是需要解決的核心問題。

近日，中國科學院金屬研究所研究團隊，研制出了納米晶層狀復(fù)合材料，為微懸臂梁穿上了神奇的 “自修復(fù)鎧甲”。

01

嚴苛的要求

芯片內(nèi)微型彈簧每一次的彈跳，對應(yīng)著電路的“開”或“關(guān)”，其性能決定著設(shè)備的可靠性與壽命。這好比要求一個彈簧每秒被按壓一次，要連續(xù)工作十年甚至三十年而毫發(fā)無傷——這對材料的性能提出了極高的要求。

金的導(dǎo)電性好、易于加工。因此，業(yè)界首選的材料是金及其合金。但是，金的缺點很致命——太“軟”了。

用金及其合金做的“微彈簧”，在經(jīng)歷極端頻繁的彈跳后，很容易疲勞、變形，無法滿足未來高端設(shè)備對功率和壽命的嚴苛要求。

為此，研究團隊開發(fā)了由納米尺度的鎳層和鎳鎢合金層交替疊加而成的新材料。它并非單一金屬，而像一塊極其微型、精巧的“千層餅”。

02

“貧富”導(dǎo)致超長壽命

將金屬做到納米晶級別，意味著需要極高的強度。但這項研究的關(guān)鍵在于“千層餅”結(jié)構(gòu)，在承受億萬次疲勞載荷時，內(nèi)部會發(fā)生動態(tài)的、智能的“自我”調(diào)節(jié)與修復(fù)。

團隊利用自主研發(fā)的測試系統(tǒng)，驗證了材料內(nèi)部的奇妙變化：在循環(huán)受力過程中，材料界面處的原子開始“搬家”。鎳原子會從平滑異質(zhì)界面向粗糙異質(zhì)界面擴散。

這一方式具有兩個優(yōu)勢：粗糙界面附近形成了 “貧鎢區(qū)”（鎢含量變少），這片區(qū)域變得更軟，像一層緩沖墊，增強了不同材料層之間的變形協(xié)調(diào)性，避免了應(yīng)力集中；在平滑界面附近留下了“富鎢區(qū)”（鎢含量變多），為第二種機制創(chuàng)造了條件。

“富鎢區(qū)”降低了材料的“層錯能”，可激發(fā)材料內(nèi)部動態(tài)、持續(xù)地生成大量納米孿晶和層錯。將這些“納米孿晶”想象成材料內(nèi)部長出來的、極其細微的強化筋，可有效阻擋和分散疲勞損傷，防止塑性應(yīng)變累積。

兩種機制協(xié)同工作，如同給材料同時配備了“動態(tài)緩沖層”和“持續(xù)生長的強化筋”，延緩了疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展，實現(xiàn)了超長壽命。這種新型納米層狀復(fù)合材料在數(shù)十億次超高周疲勞測試中，其壽命優(yōu)于當前主流微機電系統(tǒng)開關(guān)材料，與規(guī)定的門檻值相比，超長周次疲勞耐久性提升約60%，突破了技術(shù)瓶頸。

▲面向微機電系統(tǒng)開關(guān)超長服役壽命的材料優(yōu)化設(shè)計及化學成分梯度擴散調(diào)控機制

03

“小彈簧”或改變世界

研究團隊與相關(guān)企業(yè)合作，將這種高性能材料制備工藝與現(xiàn)有微機電系統(tǒng)芯片制造流程相兼容，實現(xiàn)了新型微機電系統(tǒng)開關(guān)芯片制造技術(shù)的突破，有望為未來制造高線性度、低損耗的高功率射頻/微波固態(tài)開關(guān)及射頻繼電器芯片，提供新的材料設(shè)計思路。

微觀世界里“小彈簧”的壽命突破，或正悄然改變著未來世界。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121705

來源：中國科學院金屬研究所

責任編輯：潘鵬