Study on the failure behavior of nanoparticle-based silver wires based on an electromechanical coupling cohesive zone model

WEI Shupeng; YI Chuanshuai; SUN Quan; LU Yebo

doi:DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.001

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Study on the failure behavior of nanoparticle-based silver wires based on an electromechanical coupling cohesive zone model

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2026-01-21

- Study on the failure behavior of nanoparticle-based silver wires based on an electromechanical coupling cohesive zone model
- Journal of Mechanical Strength Vol. 48, Issue 1, Pages: 1-10(2026)
- 作者机构：
  
  1.浙江理工大学机械工程学院，杭州 310018
  2.嘉兴大学全省多模态感知与智能系统重点实验室，嘉兴 314001
  3.嘉兴大学信息科学与工程学院，嘉兴 314001
- 作者简介：
  
  SUN Quan, E-mail: sunquan@zjxu.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52005219;62374074);“Pioneer-Leader” R&D Tackling Plan of Zhejiang(2024C04028)
- DOI：DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.001
  CLC：
- Received：14 May 2024，
  
  Published：15 January 2026
- 稿件说明：
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魏淑朋，仪传帅，孙权，等. 基于力-电耦合内聚力模型的纳米颗粒型银导线失效行为研究［J］. 机械强度，2026，48（1）：1-10.

WEI Shupeng，YI Chuanshuai，SUN Quan，et al. Study on the failure behavior of nanoparticle-based silver wires based on an electromechanical coupling cohesive zone model［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（1）：1-10.
魏淑朋，仪传帅，孙权，等. 基于力-电耦合内聚力模型的纳米颗粒型银导线失效行为研究［J］. 机械强度，2026，48（1）：1-10. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.001.

WEI Shupeng，YI Chuanshuai，SUN Quan，et al. Study on the failure behavior of nanoparticle-based silver wires based on an electromechanical coupling cohesive zone model［J］. Journal of Mechanical Strength，2026，48（1）：1-10. DOI： DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2026.01.001.

摘要

目的

为研究纳米颗粒银导线的微观结构对其力学和电学性能的影响，对银导线的微观结构进行有限元建模，并构建了力-电耦合内聚力模型，仿真分析了银导线的多尺度纳米颗粒尺度分布对其耐弯曲性能的影响。

方法

首先，开发了随机圆形堆积算法并对基于正态分布规律生成的纳米颗粒进行随机堆积建模，实现了对不同微观结构纳米颗粒银导线的有限元建模。其次，基于力-电耦合内聚力模型，对颗粒界面的力学和电学损伤行为进行了描述。最后，采用Abaqus软件的UEL子程序进行数值实现，通过有限元仿真研究了纳米颗粒银导线的平均粒径、粒径标准差以及双峰粒径分布对其疲劳服役过程中的电阻变化和服役寿命的影响。

结果

结果表明，银导线的耐弯曲疲劳性能随着粒径标准差的增加有明显提升，而平均粒径的改变对银导线性能的影响较小；对于双峰粒径分布的银导线，小颗粒可通过填充至大颗粒之间的间隙来有效提升银导线的耐弯曲疲劳性能，但随着小颗粒数量所占比例的增加，银导线性能提升的效果逐渐减小；同时，小颗粒尺寸的增加会阻隔大颗粒间的有效结合，使其对银导线的耐弯曲疲劳性能的提升效果有所下降。

Abstract

Objective

To investigate the influence of the microstructure of nanoparticle silver wires on their mechanical and electrical properties

finite element modeling of the microstructure of silver wires was conducted. A force-electric coupling cohesive zone model was established to simulate and analyze the effect of multiscale nanoparticle size distribution on the bending fatigue resistance of silver wires.

Methods

Firstly

a random circular packing algorithm was developed to perform stochastic packing modeling of nanoparticles generated based on a normal distribution

enabling finite element modeling of silver wires with different microstructures. Secondly

a force-electric coupling cohesive zone model was employed to characterize the mechanical and electrical damage behavior at particle interfaces. Finally

numerical implementation was carried out using the UEL subroutine in Abaqus software. Finite element simulations were conducted to study the effects of average particle size

particle size standard deviation

and bimodal particle size distribution on the resistance variation and service life of nanoparticle silver wires during fatigue loading.

Results

The results indicate that the bending fatigue resistance of silver wires significantly improves with increasing particle size standard deviation

while changes in average particle size have a minor effect on performance. For silver wires with bimodal particle size distributions

small particles effectively enhance bending fatigue resistance by filling the gaps between large particles. However

as the proportion of small particles increases

the performance improvement gradually diminishes. Additionally

an increase in the size of small particles impedes effective bonding between large particles

thereby reducing the enhancement effect on the bending fatigue resistance of silver wires.

关键词

Keywords

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