中国科学家造出三项全能铜箔，破解行业难题，手机电池芯片将受益

铜箔是铜金属的薄片，由于其优良的导电性、延展性等性能，用途广泛，包括智能手机、电脑等电子设备、家用电器、汽车和建筑等，是支撑我们日常生活的重要材料之一。

随着芯片越做越小、电池追求更长续航、设备朝着轻薄化升级，铜箔面临的要求也越来越苛刻。在实际使用中，铜箔不仅要承受卷绕、冲压、弯折等复杂力学压力，还必须同时满足三个指标：强度够高、导电够好、热稳定性好。然而，传统铜箔难以同时兼顾高强度、高导电性和高热稳定性，成为相关产业发展的主要瓶颈。

近日，中国科学院金属研究所卢磊研究员团队与合作者在 Science 期刊发表成果，他们通过一种全新的梯度序构微观结构设计，成功研发出兼具超高强度、高导电性与优异热稳定性的超级铜箔

卢磊团队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。

这种超级铜箔的抗拉强度高达 900 兆帕，超越了传统铜箔的强度极限；同时，其导电性约为同等强度铜合金的三倍；研究指出，即使在室温下储存近半年，其性能也未出现任何退化。

长期以来，业界主要依靠电沉积工艺，利用有机添加剂来细化晶粒。根据著名的Hall-Petch 效应，晶粒越小，材料强度越高。然而，这一方法也带来了显著的副作用。晶界（晶粒之间的界面）数量激增，会严重散射电子，导致导电性大幅下降。更棘手的是，纳米晶粒在室温下极不稳定，容易发生自退火现象——晶粒自发长大，强度在短时间内迅速衰减，有时仅 24 小时就损失近一半。这不仅影响产品可靠性，还限制了铜箔在高端应用中的推广。

为了稳定结构，传统做法是加入铬、锆、镍等重金属元素进行合金化。但合金元素会进一步破坏铜基体的纯净度，使导电率断崖式下跌。

在这项研究中，研究团队以全新的“梯度序构”微观结构设计为核心，利用工业通用的直流电沉积工艺，通过添加微量绿色有机添加剂，在纯度高达 99.91%、厚度仅 10 微米的铜箔纳米晶粒基体上，原位构建出了无数个平均大小只有 3 纳米的超纳米畴（super-nano domains）。

这些纳米级别的微小结构并非均匀分布，而是沿铜箔厚度方向，呈现出周期性的交替梯度分布，少畴区保持传统纳米晶的特征，负责提供基础的导电通道和塑性空间；多畴区密集分布着大量的超纳米畴，负责锁死晶界、大幅提升强度。这种被称为梯度超纳米畴（GSD）结构，就像是在铜箔的内部搭建了一套既坚固又通透的纳米级骨架。

图 | 梯度超纳米畴微观结构表征

全面性能测试数据显示，这款梯度序构纳米畴铜箔实现了强度、导电、热稳定性的协同突破，彻底打破“不可能三角”定律。

在力学性能上，最优样品 GSD-113 的抗拉强度高达 900 兆帕，远超常规铜箔 300-600 兆帕的强度极限，是普通纳米晶铜箔的 1.4 倍以上，在 10 微米超薄厚度下依旧保持良好塑性，延伸率约 3%，完全满足集成电路加工、锂电池卷绕的力学要求。

在导电性能上，该铜箔导电率稳定保持在 90% IACS（国际退火铜标准），相较于同等强度水平的铜合金，导电能力提升约 2 倍，极低的电阻率可有效降低电子传输损耗、减少设备发热，适配高频高速信号传输与大电流快充场景。

在热稳定性上，该铜箔展现出前所未有的优异表现，室温环境下放置 180 天（近半年），强度、导电率无任何衰减，经 150℃ 高温短时间退火后，微观结构无明显变化，晶粒不长大、性能不衰退，而传统纳米晶铜箔在室温放置 24 小时后，强度便损失 50%，导电率虽小幅上升却失去实用价值。

那么，这么小的纳米结构，到底是怎么让铜箔兼具超高强度、高导电性与优异的热稳定性的？

研究发现，在水平方向上，均匀分布在晶粒之间的纳米畴，能让铜箔受力时变形更均匀，不会出现局部应力集中而突然断裂，让高强度铜箔不再“脆”。在垂直方向上，疏密交替的梯度纳米畴，会诱导产生大量位错，在不牺牲导电的前提下进一步提升强度。同时，这些 3 纳米的微小畴区，和铜基体形成特殊的半共格界面，一方面像无数颗 “微型铆钉”，把晶界牢牢固定住，不让晶粒随便长大，保证稳定性；另一方面，这种界面对电子的阻碍非常小，再加上杂质只集中在纳米畴里，铜基体依然很纯，导电性能自然不会下降。

这就相当于科学家在铜的内部，搭建了一套既加固、又通电、还稳定的纳米级骨架，既挡住了变形，又不耽误电子通行，还能长期保持结构不变。

研究员团队强调，这种梯度超纳米畴铜箔的制备采用的是直流电沉积工艺，这与目前全球铜箔生产的主流工业工艺完全兼容。这意味着，现有的铜箔生产线经过参数微调和添加剂优化，就有可能实现这种超级铜箔的量产。

从应用场景来看，这款超级铜箔的价值十分巨大。在集成电路领域，它可以作为高端芯片互连线、先进封装基板的关键导体，让芯片更小、算力更强、运行更稳定；在新能源领域，它作为锂电池负极集流体，能做得更薄，从而提升电池能量密度，同时兼具高导电和高稳定性，让新能源汽车充电更快、续航更长、使用更安全。

1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed7758

2.http://www.imr.cas.cn/yjtd/leilu_team/

排版：胡莉花