銅箔是銅金屬的薄片，由於其優良的導電性、延展性等性能，用途廣泛，包括智能手機、電腦等電子設備、家用電器、汽車和建築等，是支撐我們日常生活的重要材料之一。
隨着芯片越做越小、電池追求更長續航、設備朝着輕薄化升級，銅箔面臨的要求也越來越苛刻。在實際使用中，銅箔不僅要承受卷繞、衝壓、彎折等複雜力學壓力，還必須同時滿足三個指標：強度夠高、導電夠好、熱穩定性好。然而，傳統銅箔難以同時兼顧高強度、高導電性和高熱穩定性，成爲相關產業發展的主要瓶頸。
近日，中國科學院金屬研究所盧磊研究員團隊與合作者在 Science 期刊發表成果，他們通過一種全新的梯度序構微觀結構設計，成功研發出兼具超高強度、高導電性與優異熱穩定性的超級銅箔。
盧磊團隊主要從事塊體納米結構金屬材料的研究，包括樣品製備、微觀結構表徵、結構穩定性、綜合力學性能和理化性能。通過理解其結構性能關係，揭示納米結構金屬材料的強韌化機理。
這種超級銅箔的抗拉強度高達 900 兆帕，超越了傳統銅箔的強度極限；同時，其導電性約爲同等強度銅合金的三倍；研究指出，即使在室溫下儲存近半年，其性能也未出現任何退化。
長期以來，業界主要依靠電沉積工藝，利用有機添加劑來細化晶粒。根據著名的 Hall-Petch 效應，晶粒越小，材料強度越高。然而，這一方法也帶來了顯著的副作用。晶界（晶粒之間的界面）數量激增，會嚴重散射電子，導致導電性大幅下降。更棘手的是，納米晶粒在室溫下極不穩定，容易發生自退火現象——晶粒自發長大，強度在短時間內迅速衰減，有時僅 24 小時就損失近一半。這不僅影響產品可靠性，還限制了銅箔在高端應用中的推廣。
爲了穩定結構，傳統做法是加入鉻、鋯、鎳等重金屬元素進行合金化。但合金元素會進一步破壞銅基體的純淨度，使導電率斷崖式下跌。
在這項研究中，研究團隊以全新的“梯度序構”微觀結構設計爲核心，利用工業通用的直流電沉積工藝，通過添加微量綠色有機添加劑，在純度高達 99.91%、厚度僅 10 微米的銅箔納米晶粒基體上，原位構建出了無數個平均大小隻有 3 納米的超納米疇（super-nano domains）。
這些納米級別的微小結構並非均勻分佈，而是沿銅箔厚度方向，呈現出週期性的交替梯度分佈，少疇區保持傳統納米晶的特徵，負責提供基礎的導電通道和塑性空間；多疇區密集分佈着大量的超納米疇，負責鎖死晶界、大幅提升強度。這種被稱爲梯度超納米疇（GSD）結構，就像是在銅箔的內部搭建了一套既堅固又通透的納米級骨架。
圖 | 梯度超納米疇微觀結構表徵
全面性能測試數據顯示，這款梯度序構納米疇銅箔實現了強度、導電、熱穩定性的協同突破，徹底打破“不可能三角”定律。
在力學性能上，最優樣品 GSD-113 的抗拉強度高達 900 兆帕，遠超常規銅箔 300-600 兆帕的強度極限，是普通納米晶銅箔的 1.4 倍以上，在 10 微米超薄厚度下依舊保持良好塑性，延伸率約 3%，完全滿足集成電路加工、鋰電池卷繞的力學要求。
在導電性能上，該銅箔導電率穩定保持在 90% IACS（國際退火銅標準），相較於同等強度水平的銅合金，導電能力提升約 2 倍，極低的電阻率可有效降低電子傳輸損耗、減少設備發熱，適配高頻高速信號傳輸與大電流快充場景。
在熱穩定性上，該銅箔展現出前所未有的優異表現，室溫環境下放置 180 天（近半年），強度、導電率無任何衰減，經 150℃ 高溫短時間退火後，微觀結構無明顯變化，晶粒不長大、性能不衰退，而傳統納米晶銅箔在室溫放置 24 小時後，強度便損失 50%，導電率雖小幅上升卻失去實用價值。
那麼，這麼小的納米結構，到底是怎麼讓銅箔兼具超高強度、高導電性與優異的熱穩定性的？
研究發現，在水平方向上，均勻分佈在晶粒之間的納米疇，能讓銅箔受力時變形更均勻，不會出現局部應力集中而突然斷裂，讓高強度銅箔不再“脆”。在垂直方向上，疏密交替的梯度納米疇，會誘導產生大量位錯，在不犧牲導電的前提下進一步提升強度。同時，這些 3 納米的微小疇區，和銅基體形成特殊的半共格界面，一方面像無數顆 “微型鉚釘”，把晶界牢牢固定住，不讓晶粒隨便長大，保證穩定性；另一方面，這種界面對電子的阻礙非常小，再加上雜質只集中在納米疇裏，銅基體依然很純，導電性能自然不會下降。
這就相當於科學家在銅的內部，搭建了一套既加固、又通電、還穩定的納米級骨架，既擋住了變形，又不耽誤電子通行，還能長期保持結構不變。
研究員團隊強調，這種梯度超納米疇銅箔的製備採用的是直流電沉積工藝，這與目前全球銅箔生產的主流工業工藝完全兼容。這意味着，現有的銅箔生產線經過參數微調和添加劑優化，就有可能實現這種超級銅箔的量產。
從應用場景來看，這款超級銅箔的價值十分巨大。在集成電路領域，它可以作爲高端芯片互連線、先進封裝基板的關鍵導體，讓芯片更小、算力更強、運行更穩定；在新能源領域，它作爲鋰電池負極集流體，能做得更薄，從而提升電池能量密度，同時兼具高導電和高穩定性，讓新能源汽車充電更快、續航更長、使用更安全。
參考鏈接：
1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed7758
2.http://www.imr.cas.cn/yjtd/leilu_team/
排版：胡莉花
