銅箔同時實現(xiàn)高強度、高導(dǎo)電、超穩(wěn)定！

在新能源、電動汽車與人工智能芯片高速發(fā)展的今天，作為“電流高速公路”的銅箔，正面臨前所未有的性能挑戰(zhàn)：既要足夠薄，又要足夠強，還要導(dǎo)電好、耐高溫。然而，這些性能之間往往彼此掣肘——強度提高了，導(dǎo)電性就下降；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定了，延展性又受損。如何打破這一“材料不可能三角”，成為金屬材料領(lǐng)域的核心難題。

近日，中國科學(xué)院金屬研究所盧磊研究員團隊提出了一種全新的“超納米結(jié)構(gòu)”設(shè)計策略，通過在銅箔中引入周期性分布的“超納米疇”，成功實現(xiàn)了強度、導(dǎo)電性與熱穩(wěn)定性的協(xié)同提升。該研究制備出厚度僅10微米的銅箔，卻具備約900 MPa的超高強度、接近90%國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)（IACS）的導(dǎo)電率以及優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，為高性能電子材料提供了新的設(shè)計范式。相關(guān)成果以“Super-nano domains enable strength-conductivity synergy in copper foils”發(fā)表在《Science》上。Zhao Cheng, Linhai Liu, Zhiyang Yu, Xiaoyuan Ye為共同第一作者。

值得一提的是，據(jù)小編不完全統(tǒng)計，這是盧磊研究員的第九篇《Science》。

從結(jié)構(gòu)入手：一張“有節(jié)奏”的銅箔

故事要從銅箔的“內(nèi)部結(jié)構(gòu)”講起。在傳統(tǒng)認(rèn)知中，銅箔通常由均勻的納米晶粒構(gòu)成，但這項研究卻讓結(jié)構(gòu)變得“有節(jié)奏”起來。如圖1a所示，研究人員通過工業(yè)可行的電沉積工藝，構(gòu)建出一種具有周期層狀結(jié)構(gòu)的銅箔，這些層狀結(jié)構(gòu)沿著生長方向呈現(xiàn)出類似“波紋”的分布，每隔約120納米重復(fù)一次（圖1a）。進(jìn)一步放大觀察（圖1b、圖1c）可以發(fā)現(xiàn)，在這些層狀結(jié)構(gòu)中，隱藏著大量直徑僅約3納米的“超納米疇”。這些小到難以想象的結(jié)構(gòu)，像是嵌入在銅晶體中的“點狀調(diào)控器”，均勻分布在晶粒內(nèi)部和晶界附近，并在不同層之間形成“富集區(qū)”和“稀疏區(qū)”的交替排列。更有意思的是，這些超納米疇并不是隨機存在的。三維重構(gòu)結(jié)果（圖1d）顯示，它們在空間中形成連續(xù)分布，并沿厚度方向呈現(xiàn)出周期性梯度變化（圖1e）。也就是說，這張銅箔不僅有“層”，還有“漸變”，結(jié)構(gòu)像一首有節(jié)奏、有起伏的樂曲。這種結(jié)構(gòu)被稱為“梯度超納米疇（GSD）架構(gòu)”，其核心在于：通過極微量的有機元素（如C、O）精準(zhǔn)嵌入銅基體中，構(gòu)建出一種既精細(xì)又有序的納米結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

圖1：展示GSD銅箔的層狀結(jié)構(gòu)與超納米疇分布，包括SEM、TEM及三維重構(gòu)結(jié)果，揭示其周期性梯度結(jié)構(gòu)特征。

性能突破：強度、延展性與導(dǎo)電性不再對立

結(jié)構(gòu)改變，性能隨之躍遷。在力學(xué)性能測試中（圖2a），這種GSD銅箔展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。隨著結(jié)構(gòu)梯度增強，其抗拉強度從約688 MPa提升至接近900 MPa，同時延展性也略有提升。這一點尤為關(guān)鍵，因為在傳統(tǒng)材料中，“越強越脆”幾乎是不可避免的規(guī)律。更令人驚訝的是其穩(wěn)定性表現(xiàn)（圖2b）。普通納米晶銅箔在室溫下會發(fā)生“自退火”，強度在24小時內(nèi)下降約50%；而GSD銅箔在長達(dá)180天的存儲后，幾乎沒有性能衰減，硬度始終保持在約2.7 GPa。當(dāng)我們把視角放寬（圖2c），與傳統(tǒng)銅箔和銅合金對比時，可以清晰看到：GSD銅箔打破了“強度-延展性”的權(quán)衡關(guān)系，實現(xiàn)了兩者同步提升。而在導(dǎo)電性方面（圖2d），它同樣表現(xiàn)出色。盡管內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，其導(dǎo)電率仍穩(wěn)定在約90% IACS，遠(yuǎn)高于許多強化銅合金。這意味著，這種材料不僅“結(jié)實”，而且“通電快”。

圖2：展示材料的力學(xué)與電學(xué)性能，包括應(yīng)力-應(yīng)變曲線、長期穩(wěn)定性以及與傳統(tǒng)材料的對比。

微觀機制：缺陷如何被“馴服”

那么，這種性能奇跡從何而來？答案藏在更微觀的層面：位錯行為。在拉伸變形后的結(jié)構(gòu)觀察中（圖3a），銅箔整體呈現(xiàn)出連續(xù)變形，沒有出現(xiàn)裂紋或局部失效，說明其變形是“均勻而溫和”的。進(jìn)一步分析（圖3b–3d）顯示，在不同層中，位錯呈現(xiàn)出完全不同的形態(tài)：在“疇稀疏區(qū)”（圖3中的層I），主要是較長的位錯線，密度較低；而在“疇富集區(qū)”（層II），則聚集著大量短小而密集的位錯。這些超納米疇在這里扮演了“調(diào)控器”的角色。一方面，它們像“障礙物”一樣阻擋位錯運動（圖3e、3f），提升材料強度；另一方面，又通過分層結(jié)構(gòu)引導(dǎo)位錯分布，使變形更加均勻。特別是在原子尺度分析中（圖3g），可以觀察到典型的部分位錯結(jié)構(gòu)，這進(jìn)一步證明：材料內(nèi)部的塑性變形是被精細(xì)調(diào)控的，而非隨機發(fā)生。

圖3：展示變形后微觀結(jié)構(gòu)，揭示不同層中位錯分布差異及其與超納米疇的相互作用。

更深層機理：納米尺度下的協(xié)同作用

如果說前面的機制解釋了“為什么更強”，那么更深層的圖像（圖4）則揭示了“為什么還能保持韌性”。在超納米疇富集區(qū)域（圖4a），研究人員觀察到密度高達(dá)1016 m?2的位錯——這一數(shù)值遠(yuǎn)超傳統(tǒng)金屬材料。這些位錯在納米尺度下與超納米疇發(fā)生復(fù)雜相互作用（圖4b、4c），形成扭曲、交錯的結(jié)構(gòu)。更關(guān)鍵的是，這些位錯多為“螺型位錯”（圖4d），它們具有更強的運動自由度，可以跨越不同滑移面，從而避免被完全“鎖死”。這使材料在保持高強度的同時，仍具備繼續(xù)變形的能力。此外，局部應(yīng)變分析（圖4e、4f）顯示，在超納米疇周圍形成明顯的應(yīng)力集中區(qū)，這種“應(yīng)力調(diào)控”機制有助于實現(xiàn)應(yīng)變分散，避免局部失效。換句話說，這種結(jié)構(gòu)不僅“強化”了材料，還“引導(dǎo)”了變形路徑，讓材料在承受外力時更加從容。

圖4：原子尺度分析位錯行為，揭示螺型位錯及應(yīng)變分布機制，解釋強度與韌性協(xié)同來源。

總結(jié)與展望

這項研究的意義，不僅在于制備出一張性能優(yōu)異的銅箔，更在于提出了一種全新的材料設(shè)計思路：通過引入超納米尺度的“結(jié)構(gòu)單元”，并在空間上構(gòu)建梯度分布，實現(xiàn)多性能的協(xié)同優(yōu)化。這種策略成功解決了長期困擾材料科學(xué)的幾個核心問題——強度與導(dǎo)電性的矛盾、自退火導(dǎo)致的失穩(wěn)、以及納米材料的脆性問題。同時，由于該方法兼容工業(yè)電沉積工藝，也具備良好的規(guī)模化潛力。未來，這種“超納米疇+梯度結(jié)構(gòu)”的設(shè)計理念，有望推廣到更多金屬體系，為高性能電子器件、儲能材料乃至航空航天領(lǐng)域提供全新的材料解決方案。