金属所卢磊团队，第8篇Science！

铜箔作为集成电路互连线的关键导体与锂电池集流体的核心基材，兼具“工业神经”与“新能源血液”的双重战略属性。在多场耦合服役环境下，它不仅要承受复杂的力学载荷，还需同时满足高导电、高导热与长期热稳定性的严苛要求。随着AI算力通信与下一代新能源系统对材料性能需求的持续升级，如何破解铜箔在强度与塑性、导电性、热稳定性之间长期存在的“此消彼长”困境，已成为拓展其高端应用的核心瓶颈。因此，打破性能壁垒、实现多性能协同提升，是当前材料科学与工程领域亟需突破的关键课题。

近日，这一难题迎来重要突破。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心卢磊研究员团队与合作者, 成功研发出一种兼具超高强度、高导电性与优异热稳定性的铜箔，相关研究结果于北京时间2026年4月17日在《科学》(Science)周刊在线发布。

图1 梯度纳米畴铜箔的微观结构

这项突破的核心在于一种全新的“梯度序构”微观结构设计。研究团队在在满足工业化条件的电解沉积制备过程中，通过巧妙地利用微量有机添加剂，在10微米厚铜箔（纯度99.91%）的纳米晶粒基体上形成了高密度纳米畴。这些纳米畴平均尺寸仅为3nm，沿铜箔厚度方向呈“贫、富”交替周期分布的纳米尺度梯度序构（图1）。梯度序构纳米畴铜箔的拉伸强度高达900兆帕，突破了常规铜箔的强度极限。同时，该铜箔导电率保持在90%IACS，较同等强度水平的铜合金提升约2倍；室温放置近半年后性能无衰减（图2），成功攻克了强度、导电性和热稳定性难以兼得的“不可能三角”。

图2 梯度纳米畴铜箔的拉伸性能、热稳性与导电性

优异性能的协同提升源于纳米畴在“晶粒间和晶粒内”的双重序构效应。水平方向上，晶粒间均匀分布的纳米畴能有效抑制应变局域化，提升材料的整体均匀变形能力；垂直方向上，梯度分布的纳米畴则诱导产生超高密度的几何必需位错，实现显著强化。尤其是，超高密度、极小尺寸的纳米畴与基体呈半共格界面，既能有效钉扎晶界，抑制晶粒长大，又因其对电子的散射作用极弱，确保铜箔的高导电性。

该研究不仅为高性能铜箔的制备开辟了全新的设计思路，也展现了“基元梯度序构”策略在开发下一代结构—功能一体化材料研发中的巨大潜力，值得强调的是，梯度纳米畴铜箔已具备在工业条件下的连续化生产能力，为其规模化应用奠定了基础，对电子信息产业和新能源产业的发展具有重要战略意义。

该工作中金属所程钊研究员、博士生柳林海和福州大学喻志阳研究员、博士生叶晓圆为论文共同第一作者，卢磊研究员为通讯作者。该研究获得国家自然科学基金委重大研究计划集成项目、区域联合重点基金、青年B类和中国科学院全球共性挑战专项等项目资助。

全文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed7758

作者简介

卢磊，博士，女，中国科学院金属研究所研究员、博士生导师，中国科学院人才计划、国家杰出青年科学基金、国家级科技创新领军人才获得者，中国科学技术部“纳米前沿”重点专项总体专家组副组长，辽宁省“兴辽计划”创新领军人才等。现任国际纳米材料、国际材料强度大会委员会委员；Acta Materialia 和Scripta Materialia 期刊编辑。主要从事纳米结构金属材料的制备、力学性能及变形机理的基础研究。发表SCI论文159篇（其中包括Science 8篇，Nature 2篇），被SCI文章引用>25000次，获国内发明专利16项，国际发明专利6项。近年来在国际学术会议做大会、主题和邀请报告80余次。曾获中国科学院院长奖学金特别奖、全国优秀百篇博士学位论文奖、中国青年女科学家奖、2014-2016年获汤森路透“全球高被引用科学家”，2015-2023年获爱思唯尔“中国高被引学者”、2019-2021年获中国科学院“优秀导师奖”、2021年获“TMS Brimacombe Medal Award”，中国科学技术大学“科教融合优秀导师奖”等奖项。

课题组主要从事块体纳米结构金属材料的研究，包括样品制备、微观结构表征、结构稳定性、综合力学性能和理化性能。通过理解其结构性能关系，揭示纳米结构金属材料的强韧化机理。课题组瞄准国际前沿和国家重大需求，坚持原创性研究，不断拓宽研究基础，致力于在多尺度纳米金属材料的结构设计、制备技术方面取得突破，深入研究多尺度纳米金属材料结构稳定性、微观结构与性能的本征关系，揭示多尺度纳米金属材料强韧化机理，实现金属材料综合性能的整体提高。同时课题组注重人才培养，特别是研究生队伍科研能力和综合素质的培养与提高，以为材料科学研究培养优秀后备人才为重要使命。

代表性论文

1. Superior resistance to cyclic creep in a gradient structured steel.Science, 388（2025）82-88.

2. Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient-cell-structured alloy. Science, 382 (2023)185–190.

3. Unraveling the origin of extra strengthening in gradient nanotwinned metals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 119 (2022) e2116808119.

4. Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility. Science, 374 (2021) 984–989.

5. Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals. Science, 362 (2018) 559.

6. History-independent cyclic response of nanotwinned metals. Nature, 551 (2017) 214-217.

7. Dislocation nucleation governed softening and maximum strength in nano-twinned metals. Nature, 464 (2010) 877-880.

8. Strengthening materials by engineering coherent internal boundaries at the nanoscale. Science, 324 (2009) 349-352.

9. Revealing the maximum strength in nanotwinned copper. Science, 323 (2009) 607-610.

10. Ultrahigh strength and high electrical conductivity in copper. Science, 304 (2004) 422-426.

来源：中国科学院金属研究所