北京
銅箔作為集成電路互連線的關(guān)鍵導(dǎo)體與鋰電池集流體的核心基材，兼具“工業(yè)神經(jīng)”與“新能源血液”雙重屬性。在多場耦合服役環(huán)境下，它不僅要承受復(fù)雜的力學(xué)載荷，還需同時(shí)滿足高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱與長期熱穩(wěn)定性的嚴(yán)苛要求。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所等，研發(fā)出兼具超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性與優(yōu)異熱穩(wěn)定性的銅箔。
01
“三項(xiàng)全能”的金屬
隨著人工智能算力通信與下一代新能源系統(tǒng)對材料性能需求的不斷提高，破解銅箔在強(qiáng)度與塑性、導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性之間的失衡難題，已成為拓展銅箔高端應(yīng)用的制約因素。
科研人員以全新的“梯度序構(gòu)”微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為核心，在滿足工業(yè)化條件的電解沉積制備過程中，利用微量有機(jī)添加劑，在純度99.91%、厚度10微米銅箔納米晶粒基體上，形成高密度納米疇。
▲科研人員研發(fā)出兼具超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性與優(yōu)異熱穩(wěn)定性的銅箔（圖片由AI生成）
這些納米疇平均尺寸僅為3納米，沿銅箔厚度方向呈“貧、富”交替周期分布納米尺度“梯度序構(gòu)”。由此構(gòu)成的“梯度序構(gòu)”納米疇銅箔，拉伸強(qiáng)度高達(dá)900兆帕，突破了常規(guī)銅箔的強(qiáng)度極限。
同時(shí)，該銅箔導(dǎo)電率保持在90%IACS，較同等強(qiáng)度水平的銅合金提升約2倍。室溫放置近半年后，經(jīng)檢驗(yàn)性能無衰減。這打破了銅箔強(qiáng)度、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性難以兼得的“不可能三角”。
02
“橫豎”都強(qiáng)
新型銅箔性能的協(xié)同提升，源于納米疇在晶粒間和晶粒內(nèi)的雙重序構(gòu)效應(yīng)。
在水平方向上，晶粒間均勻分布的納米疇能抑制應(yīng)變局域化，提升材料整體均勻變形能力。
在垂直方向上，梯度分布的納米疇誘導(dǎo)產(chǎn)生超高密度的幾何必需位錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化。
尤其是，超高密度、極小尺寸的納米疇與基體呈半共格界面時(shí)，既能有效釘扎晶界，抑制晶粒長大，又因其對電子的散射作用極弱，確保銅箔高導(dǎo)電性。
研究不僅為高性能銅箔的制備提供了全新的設(shè)計(jì)思路，也展現(xiàn)了“基元梯度序構(gòu)”策略在開發(fā)下一代結(jié)構(gòu)-功能一體化材料中的潛力，對電子信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1126/science.aed7758
來源：中國科學(xué)院金屬研究所
責(zé)任編輯：潘鵬
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