伴随芯片越做越小、电池追求更长续航、设施朝着轻薄化升级，铜箔面临的需要也愈加苛刻。在实质用中，铜箔不只要承受卷绕、冲压、弯折等复杂力学重压，还需要同时满足三个指标：强度够高、导电够好、热稳定性好。然而，传统铜箔很难同时兼顾高强度、高导电性和高热稳定性，成为有关产业进步的主要瓶颈。日前，中国科学院金属研究所卢磊研究员团队与合作者在 Science 期刊发表成就，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、高导电性与优秀热稳定性的超级铜箔。
铜箔是铜金属的薄片，因为其优良的导电性、延展性等性能，作用与功效广泛，包含智能手机、电脑等电子设施、家电、汽车和建筑等，是支撑大家平时生活的要紧材料之一。
伴随芯片越做越小、电池追求更长续航、设施朝着轻薄化升级，铜箔面临的需要也愈加苛刻。在实质用中，铜箔不只要承受卷绕、冲压、弯折等复杂力学重压，还需要同时满足三个指标：强度够高、导电够好、热稳定性好。然而，传统铜箔很难同时兼顾高强度、高导电性和高热稳定性，成为有关产业进步的主要瓶颈。
日前，中国科学院金属研究所卢磊研究员团队与合作者在 Science 期刊发表成就，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、高导电性与优秀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，包含样品制备、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，即便在室温下储存近半年，其性能也未出现任何退化。
长期以来，业界主要依赖电沉积工艺，借助有机添加剂来细化晶粒。依据著名的 Hall|Petch 效应，晶粒越小，材料强度越高。然而，这一办法也带来了显著的不良反应。晶界(晶粒之间的界面)数目激增，会紧急散射电子，致使导电性大幅降低。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，强度在短期内飞速衰减，有时仅 24 小时就损失近一半。这不只影响商品靠谱性，还限制了铜箔在高档应用中的推广。
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，借助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)。
这类纳米级别的微小结构并不是均匀分布，而是沿铜箔厚度方向，呈现出周期性的交替梯度分布，少畴区维持传统纳米晶的特点，负责提供基础的导电通道和塑性空间;多畴区密集分布着很多的超纳米畴，负责锁死晶界、大幅提高强度。这种被叫做梯度超纳米畴(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
全方位性能测试数据显示，这款梯度序构纳米畴铜箔达成了强度、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，最佳样品 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 微米超薄厚度下依然维持好塑性，延伸率约 3%，完全满足集成电路加工、锂电池卷绕的力学需要。
在导电性能上，该铜箔导电率稳定维持在 90% IACS(国际退火铜标准)，相较于同等强度水平的铜合金，导电能力提高约 2 倍，极低的电阻率可大大降低电子传输损耗、降低设施发热，适配高频高速信号传输与大电流快充场景。
在热稳定性上，该铜箔展示出前所未有些优秀表现，室温环境下放置 180 天(近半年)，强度、导电率无任何衰减，经 150℃ 高温短期退火后，微观结构没有明显变化，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。
那样，这么小的纳米结构，到底是如何让铜箔兼具超高强度、高导电性与优秀的热稳定性的?
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忽然断裂，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，会诱导产生很多位错，在不牺牲导电的首要条件下进一步提高强度。同时，这类 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”，把晶界牢结实定住，不让晶粒随意长大，保证稳定性;其次，这种界面对电子的妨碍很小，再加上杂质只集中在纳米畴里，铜基体依旧非常纯，导电性能自然不会降低。
这就等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，还能长期维持结构不变。
研究员团队强调，这种梯度超纳米畴铜箔的制备使用的是直流电沉积工艺，这与现在全球铜箔生产的主流工业工艺完全兼容。这意味着，现有些铜箔生产线经过参数微调和添加剂优化，就大概达成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。在集成电路范围，它可以作为高档芯片互连线、先进封装基板的重点导体，让芯片更小、算力更强、运行更稳定;在新能源范围，它作为锂电池负极集流体，能做得更薄，从而提高电池能量密度，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、用更安全。
参考链接：
1.https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed7758
2.http://www.imr.cas.cn/yjtd/leilu|team/
