我国团队突破零膨胀复合材料性能极限，可用于芯片和散热器等

IT之家 12 月 30 日消息，据“科学岛在线”今日消息，中国科学院合肥物质院固体所联合中国电子科技集团第四十三所、中国散裂中子源科学中心、上海同步辐射光源等单位，采用仿生策略，成功研制出两类兼具优良力学与导热性能的零膨胀金属基复合材料，为零膨胀复合材料的性能突破提供了全新思路。

相关研究成果分别发表于 Acta Materialia（Acta Mater., 2026, 304, 121799）和 Journal of Materials Science & Technology（J. Mater. Sci. Technol., 2025, 213 90-97）。

零膨胀材料（IT之家注：线膨胀系数小于 1×10-6/K）在温度变化时能保持尺寸高度稳定，可显著降低系统内部的热应力和热疲劳，是保障精密仪器的设计精度、提升其服役稳定性和延长使用寿命的核心关键材料，在光学设备、精密仪表、高功率电子器件等领域具有重要应用前景。

目前，将负热膨胀材料和金属铜、铝等进行复合，通过“正-负相抵”实现零膨胀特性，是该类材料研发的核心技术路线。然而，现有负热膨胀材料多为陶瓷或金属间化合物，存在脆性大、热导率低等固有缺陷，且传统研究多采用负热膨胀颗粒均匀散布于金属基体中。这种弥散构型设计虽能实现零膨胀，却严重牺牲了复合材料的韧性与导热性能，难以满足复杂工况下的应用需求。因此，如何在实现零膨胀的同时，协同提升导热与力学性能，始终是制约零膨胀复合材料发展的关键瓶颈之一。

为应对上述挑战，研究团队借鉴珍珠壳层“砖（碳酸钙）-泥（有机质）”交替堆叠的强韧化结构，设计并制备出一种由纯铜箔与负热膨胀（Zn / Sn / MnNMn3, ZSM）颗粒增强铜复合层（ZSM / Cup）交替堆叠的层状复合材料（图 1）。

通过对层厚与组分比例的精准调控，利用层间热应力的相互补偿机制，成功实现了材料的三维宏观零膨胀。同时，连续的纯铜箔层构成了高效热传递“高速公路”，使得沿层叠方向的导热率高达 200 Wm-¹K-¹，是传统弥散构型零膨胀材料的三倍以上。

此外，韧性铜箔层可有效缓解应力集中、抑制裂纹扩展，复现了类似于珍珠层中“裂纹偏转”的能量耗散机制，使叠层构型零膨胀复合材料的断裂韧性提升至传统构型的四倍。

这种兼具高导热、高韧性的零膨胀复合材料，有望成为极端热 / 机械冲击环境下高精度光学与电子系统散热基板与支撑结构的核心候选材料。

▲ 图 1. 仿贝壳结构的叠层铜基复合材料及其零膨胀特性、单向高热导率和强韧性

在此基础上，团队借鉴竹茎壁维管束梯度分布的生物力学原理，成功构筑出负膨胀 ZSM 颗粒含量呈梯度变化的铝基复合材料。

该复合材料由具有不同 ZSM 颗粒含量的 ZSM/2024Al 层铺叠而成，ZSM 的体积分数从 0%（纯 2024 铝层）逐层增加至 28%（高 ZSM 层）（图 2）。

在 285-320K 温区内，材料的平均线膨胀系数从纯 2024 铝层的 21 ppm/K，逐渐降低至高 ZSM 层的~3.4 ppm/K（其中室温线膨胀系数为 0.1ppm/K），与硅、氮化镓等芯片材料热膨胀高度匹配。

由于 ZSM 添加量相较于弥散构型减少约 50%，且各层之间的铝基体相互连通，其热导率高达 130 W・m-¹·K-¹，媲美碳化硅增强铝基复合材料。

随着 ZSM 含量逐渐降低，材料层内韧性逐渐增强，当从 2024 铝层加载时，其挠曲强度和挠曲应变分别达到了 800 MPa 和 10%，相较于传统弥散构型分别提高了 81% 和 730%，该梯度复合材料可同时适配于芯片和散热器，在极端环境电子器件热管理等领域具有广阔的应用前景。

▲ 图 2. 仿竹茎维管束梯度分布的铝基复合材料及其渐变热膨胀系数（分别与芯片和热沉的膨胀系数匹配）、高热导率和强韧性

上述系列研究表明，仿生构型设计为突破零膨胀复合材料的性能瓶颈提供了有效范式，为研制面向极端服役环境的高性能零膨胀材料提供了全新思路，有望支撑精密光学与电子仪器向更高稳定性与综合性能方向发展。

董布克、张雪凯、卫陈龙为论文的共同第一作者，童鹏、林建超、陈洁为论文通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金、合肥物质院院长基金、安徽省自然科学基金、中国科学院基础研究青年科学家基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的支持。