中國(guó)科學(xué)家造出三項(xiàng)全能銅箔，破解行業(yè)難題，手機(jī)電池芯片將受益

銅箔是銅金屬的薄片，由于其優(yōu)良的導(dǎo)電性、延展性等性能，用途廣泛，包括智能手機(jī)、電腦等電子設(shè)備、家用電器、汽車和建筑等，是支撐我們?nèi)粘Ｉ畹闹匾牧现弧?/p>

隨著芯片越做越小、電池追求更長(zhǎng)續(xù)航、設(shè)備朝著輕薄化升級(jí)，銅箔面臨的要求也越來(lái)越苛刻。在實(shí)際使用中，銅箔不僅要承受卷繞、沖壓、彎折等復(fù)雜力學(xué)壓力，還必須同時(shí)滿足三個(gè)指標(biāo)：強(qiáng)度夠高、導(dǎo)電夠好、熱穩(wěn)定性好。然而，傳統(tǒng)銅箔難以同時(shí)兼顧高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性和高熱穩(wěn)定性，成為相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所盧磊研究員團(tuán)隊(duì)與合作者在 Science 期刊發(fā)表成果，他們通過(guò)一種全新的梯度序構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功研發(fā)出兼具超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性與優(yōu)異熱穩(wěn)定性的超級(jí)銅箔

盧磊團(tuán)隊(duì)主要從事塊體納米結(jié)構(gòu)金屬材料的研究，包括樣品制備、微觀結(jié)構(gòu)表征、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、綜合力學(xué)性能和理化性能。通過(guò)理解其結(jié)構(gòu)性能關(guān)系，揭示納米結(jié)構(gòu)金屬材料的強(qiáng)韌化機(jī)理。

這種超級(jí)銅箔的抗拉強(qiáng)度高達(dá) 900 兆帕，超越了傳統(tǒng)銅箔的強(qiáng)度極限；同時(shí)，其導(dǎo)電性約為同等強(qiáng)度銅合金的三倍；研究指出，即使在室溫下儲(chǔ)存近半年，其性能也未出現(xiàn)任何退化。

長(zhǎng)期以來(lái)，業(yè)界主要依靠電沉積工藝，利用有機(jī)添加劑來(lái)細(xì)化晶粒。根據(jù)著名的Hall-Petch 效應(yīng)，晶粒越小，材料強(qiáng)度越高。然而，這一方法也帶來(lái)了顯著的副作用。晶界（晶粒之間的界面）數(shù)量激增，會(huì)嚴(yán)重散射電子，導(dǎo)致導(dǎo)電性大幅下降。更棘手的是，納米晶粒在室溫下極不穩(wěn)定，容易發(fā)生自退火現(xiàn)象——晶粒自發(fā)長(zhǎng)大，強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)迅速衰減，有時(shí)僅 24 小時(shí)就損失近一半。這不僅影響產(chǎn)品可靠性，還限制了銅箔在高端應(yīng)用中的推廣。

為了穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)做法是加入鉻、鋯、鎳等重金屬元素進(jìn)行合金化。但合金元素會(huì)進(jìn)一步破壞銅基體的純凈度，使導(dǎo)電率斷崖式下跌。

在這項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)以全新的“梯度序構(gòu)”微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為核心，利用工業(yè)通用的直流電沉積工藝，通過(guò)添加微量綠色有機(jī)添加劑，在純度高達(dá) 99.91%、厚度僅 10 微米的銅箔納米晶粒基體上，原位構(gòu)建出了無(wú)數(shù)個(gè)平均大小只有 3 納米的超納米疇（super-nano domains）。

這些納米級(jí)別的微小結(jié)構(gòu)并非均勻分布，而是沿銅箔厚度方向，呈現(xiàn)出周期性的交替梯度分布，少疇區(qū)保持傳統(tǒng)納米晶的特征，負(fù)責(zé)提供基礎(chǔ)的導(dǎo)電通道和塑性空間；多疇區(qū)密集分布著大量的超納米疇，負(fù)責(zé)鎖死晶界、大幅提升強(qiáng)度。這種被稱為梯度超納米疇（GSD）結(jié)構(gòu)，就像是在銅箔的內(nèi)部搭建了一套既堅(jiān)固又通透的納米級(jí)骨架。

圖 | 梯度超納米疇微觀結(jié)構(gòu)表征

全面性能測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，這款梯度序構(gòu)納米疇銅箔實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度、導(dǎo)電、熱穩(wěn)定性的協(xié)同突破，徹底打破“不可能三角”定律。

在力學(xué)性能上，最優(yōu)樣品 GSD-113 的抗拉強(qiáng)度高達(dá) 900 兆帕，遠(yuǎn)超常規(guī)銅箔 300-600 兆帕的強(qiáng)度極限，是普通納米晶銅箔的 1.4 倍以上，在 10 微米超薄厚度下依舊保持良好塑性，延伸率約 3%，完全滿足集成電路加工、鋰電池卷繞的力學(xué)要求。

在導(dǎo)電性能上，該銅箔導(dǎo)電率穩(wěn)定保持在 90% IACS（國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn)），相較于同等強(qiáng)度水平的銅合金，導(dǎo)電能力提升約 2 倍，極低的電阻率可有效降低電子傳輸損耗、減少設(shè)備發(fā)熱，適配高頻高速信號(hào)傳輸與大電流快充場(chǎng)景。

在熱穩(wěn)定性上，該銅箔展現(xiàn)出前所未有的優(yōu)異表現(xiàn)，室溫環(huán)境下放置 180 天（近半年），強(qiáng)度、導(dǎo)電率無(wú)任何衰減，經(jīng) 150℃ 高溫短時(shí)間退火后，微觀結(jié)構(gòu)無(wú)明顯變化，晶粒不長(zhǎng)大、性能不衰退，而傳統(tǒng)納米晶銅箔在室溫放置 24 小時(shí)后，強(qiáng)度便損失 50%，導(dǎo)電率雖小幅上升卻失去實(shí)用價(jià)值。

那么，這么小的納米結(jié)構(gòu)，到底是怎么讓銅箔兼具超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性與優(yōu)異的熱穩(wěn)定性的？

研究發(fā)現(xiàn)，在水平方向上，均勻分布在晶粒之間的納米疇，能讓銅箔受力時(shí)變形更均勻，不會(huì)出現(xiàn)局部應(yīng)力集中而突然斷裂，讓高強(qiáng)度銅箔不再“脆”。在垂直方向上，疏密交替的梯度納米疇，會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生大量位錯(cuò)，在不犧牲導(dǎo)電的前提下進(jìn)一步提升強(qiáng)度。同時(shí)，這些 3 納米的微小疇區(qū)，和銅基體形成特殊的半共格界面，一方面像無(wú)數(shù)顆 “微型鉚釘”，把晶界牢牢固定住，不讓晶粒隨便長(zhǎng)大，保證穩(wěn)定性；另一方面，這種界面對(duì)電子的阻礙非常小，再加上雜質(zhì)只集中在納米疇里，銅基體依然很純，導(dǎo)電性能自然不會(huì)下降。

這就相當(dāng)于科學(xué)家在銅的內(nèi)部，搭建了一套既加固、又通電、還穩(wěn)定的納米級(jí)骨架，既擋住了變形，又不耽誤電子通行，還能長(zhǎng)期保持結(jié)構(gòu)不變。

研究員團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，這種梯度超納米疇銅箔的制備采用的是直流電沉積工藝，這與目前全球銅箔生產(chǎn)的主流工業(yè)工藝完全兼容。這意味著，現(xiàn)有的銅箔生產(chǎn)線經(jīng)過(guò)參數(shù)微調(diào)和添加劑優(yōu)化，就有可能實(shí)現(xiàn)這種超級(jí)銅箔的量產(chǎn)。

從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，這款超級(jí)銅箔的價(jià)值十分巨大。在集成電路領(lǐng)域，它可以作為高端芯片互連線、先進(jìn)封裝基板的關(guān)鍵導(dǎo)體，讓芯片更小、算力更強(qiáng)、運(yùn)行更穩(wěn)定；在新能源領(lǐng)域，它作為鋰電池負(fù)極集流體，能做得更薄，從而提升電池能量密度，同時(shí)兼具高導(dǎo)電和高穩(wěn)定性，讓新能源汽車充電更快、續(xù)航更長(zhǎng)、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