實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)、高導(dǎo)與高熱穩(wěn)定“超級銅箔”，序構(gòu)金屬再獲突破

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”的雙重戰(zhàn)略屬性。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。隨著AI算力通信與下一代新能源系統(tǒng)對材料性能需求的持續(xù)升級，如何破解銅箔在強(qiáng)度與塑性、導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性之間長期存在的“此消彼長”困境，已成為拓展其高端應(yīng)用的核心瓶頸。因此，打破性能壁壘、實(shí)現(xiàn)多性能協(xié)同提升，是當(dāng)前材料科學(xué)與工程領(lǐng)域亟需突破的關(guān)鍵課題。

近日，這一難題迎來重要突破。中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧磊研究員團(tuán)隊(duì)與合作者, 成功研發(fā)出一種兼具超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性與優(yōu)異熱穩(wěn)定性的銅箔，相關(guān)研究結(jié)果于北京時(shí)間2026年4月17日在《科學(xué)》(Science)周刊在線發(fā)布。

這項(xiàng)突破的核心在于一種全新的“梯度序構(gòu)”微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)在在滿足工業(yè)化條件的電解沉積制備過程中，通過巧妙地利用微量有機(jī)添加劑，在10 微米厚銅箔（純度99.91%）的納米晶粒基體上形成了高密度納米疇。這些納米疇平均尺寸僅為3 nm，沿銅箔厚度方向呈“貧、富”交替周期分布的納米尺度梯度序構(gòu)（圖1）。梯度序構(gòu)納米疇銅箔的拉伸強(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；室溫放置近半年后性能無衰減（圖2），成功攻克了強(qiáng)度、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性難以兼得的“不可能三角”。

優(yōu)異性能的協(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)。水平方向上，晶粒間均勻分布的納米疇能有效抑制應(yīng)變局域化，提升材料的整體均勻變形能力；垂直方向上，梯度分布的納米疇則誘導(dǎo)產(chǎn)生超高密度的幾何必需位錯(cuò)，實(shí)現(xiàn)顯著強(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，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，確保銅箔的高導(dǎo)電性。

該研究不僅為高性能銅箔的制備開辟了全新的設(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)—功能一體化材料研發(fā)中的巨大潛力，值得強(qiáng)調(diào)的是，梯度納米疇銅箔已具備在工業(yè)條件下的連續(xù)化生產(chǎn)能力，為其規(guī)模化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，對電子信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

該工作中金屬所程釗研究員、博士生柳林海和福州大學(xué)喻志陽研究員、博士生葉曉圓為論文共同第一作者，盧磊研究員為通訊作者。該研究獲得國家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目、區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)基金、青年B類和中國科學(xué)院全球共性挑戰(zhàn)專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。

圖1 梯度納米疇銅箔的微觀結(jié)構(gòu)

圖2 梯度納米疇銅箔的拉伸性能、熱穩(wěn)性與導(dǎo)電性

來源：中國科學(xué)院金屬研究所