手機(jī)充電幾分鐘就發(fā)熱，問題竟出在一片薄如蟬翼的銅箔上。因?yàn)樗鼰o法同時(shí)滿足強(qiáng)度、導(dǎo)熱、耐熱三重性能的高要求。近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧磊團(tuán)隊(duì)與合作者成功研發(fā)出一種“超級(jí)銅箔”，破解了這一難題。相關(guān)論文日前發(fā)表于國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

銅箔是集成電路互連線的關(guān)鍵導(dǎo)體，也是鋰電池集流體的核心基材，兼具“工業(yè)神經(jīng)”與“新能源血液”雙重屬性。在很多環(huán)境下，它不僅要承受復(fù)雜的力學(xué)載荷，還需同時(shí)滿足高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱與長期熱穩(wěn)定性的嚴(yán)苛要求。

然而，高性能銅箔的制備長期受制于一個(gè)“不可能三角”：強(qiáng)度高時(shí)導(dǎo)電性差，導(dǎo)電好時(shí)熱穩(wěn)定性又跟不上。隨著人工智能算力通信與下一代新能源系統(tǒng)對(duì)材料性能需求的不斷提高，打破這個(gè)“不可能三角”已迫在眉睫。

為此，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了全新的“梯度序構(gòu)”微觀結(jié)構(gòu)。他們在電解沉積制備過程中，往電鍍液里加了一種微量有機(jī)添加劑。隨后，厚度僅10微米、純度99.91%的厚銅箔的納米晶粒基體上，竟長出了密密麻麻的、平均尺寸僅為3納米的納米疇。

這些納米疇沿厚度方向呈貧、富交替的周期梯度分布，像布料的經(jīng)緯線一樣“交織”在銅箔中——水平方向上，晶粒間均勻分布的納米疇能提升材料的整體均勻變形能力；垂直方向上，梯度分布的納米疇則誘導(dǎo)產(chǎn)生超高密度的幾何必需位錯(cuò)，顯著提高其強(qiáng)度。更巧妙的是，這些納米疇與基體形成半共格界面，如同微型鎖扣，牢牢卡住晶粒間的縫隙，防止晶粒長大，提升金屬強(qiáng)度。同時(shí)，它們對(duì)電子的散射極弱，電子通過時(shí)不會(huì)受到阻礙，確保了銅箔的高導(dǎo)電性能。

梯度納米疇銅箔的微觀結(jié)構(gòu)

這種“超級(jí)銅箔”拉伸強(qiáng)度高達(dá)900兆帕，突破了普通工業(yè)銅箔約為300-600兆帕的抗拉強(qiáng)度極限。與此同時(shí)，該銅箔導(dǎo)電率仍然高達(dá)高純銅的90%，比同等強(qiáng)度水平的銅合金高出約2倍。而且，不同于一些放置幾天性能就會(huì)衰退的高強(qiáng)度材料，“超級(jí)銅箔”室溫存放近半年后性能毫無衰減，熱穩(wěn)定性出色，適合長期使用的電子產(chǎn)品、電池等場景。

據(jù)悉，這款“超級(jí)銅箔”已具備工業(yè)連續(xù)化生產(chǎn)能力，未來有望讓手機(jī)芯片做得更精密、長時(shí)間使用不容易發(fā)燙，新能源車鋰電池也將做得更薄、更安全，大電流充電損耗會(huì)更低。