铜箔同时实现高强度、高导电、超稳定！
在新能源、电动汽车与人工智能芯片高速发展的今天，作为“电流高速公路”的铜箔，正面临前所未有的性能挑战：既要足够薄，又要足够强，还要导电好、耐高温。然而，这些性能之间往往彼此掣肘——强度提高了，导电性就下降；结构稳定了，延展性又受损。如何打破这一“材料不可能三角”，成为金属材料领域的核心难题。
近日，中国科学院金属研究所卢磊研究员团队提出了一种全新的“超纳米结构”设计策略，通过在铜箔中引入周期性分布的“超纳米畴”，成功实现了强度、导电性与热稳定性的协同提升。该研究制备出厚度仅10微米的铜箔，却具备约900 MPa的超高强度、接近90%国际退火铜标准（IACS）的导电率以及优异的长期稳定性，为高性能电子材料提供了新的设计范式。相关成果以“Super-nano domains enable strength-conductivity synergy in copper foils”发表在《Science》上。Zhao Cheng, Linhai Liu, Zhiyang Yu, Xiaoyuan Ye为共同第一作者。
值得一提的是，据小编不完全统计，这是卢磊研究员的第九篇《Science》。
从结构入手：一张“有节奏”的铜箔
故事要从铜箔的“内部结构”讲起。在传统认知中，铜箔通常由均匀的纳米晶粒构成，但这项研究却让结构变得“有节奏”起来。如图1a所示，研究人员通过工业可行的电沉积工艺，构建出一种具有周期层状结构的铜箔，这些层状结构沿着生长方向呈现出类似“波纹”的分布，每隔约120纳米重复一次（图1a）。进一步放大观察（图1b、图1c）可以发现，在这些层状结构中，隐藏着大量直径仅约3纳米的“超纳米畴”。这些小到难以想象的结构，像是嵌入在铜晶体中的“点状调控器”，均匀分布在晶粒内部和晶界附近，并在不同层之间形成“富集区”和“稀疏区”的交替排列。更有意思的是，这些超纳米畴并不是随机存在的。三维重构结果（图1d）显示，它们在空间中形成连续分布，并沿厚度方向呈现出周期性梯度变化（图1e）。也就是说，这张铜箔不仅有“层”，还有“渐变”，结构像一首有节奏、有起伏的乐曲。这种结构被称为“梯度超纳米畴（GSD）架构”，其核心在于：通过极微量的有机元素（如C、O）精准嵌入铜基体中，构建出一种既精细又有序的纳米结构网络。
图1：展示GSD铜箔的层状结构与超纳米畴分布，包括SEM、TEM及三维重构结果，揭示其周期性梯度结构特征。
性能突破：强度、延展性与导电性不再对立
结构改变，性能随之跃迁。在力学性能测试中（图2a），这种GSD铜箔展现出显著优势。随着结构梯度增强，其抗拉强度从约688 MPa提升至接近900 MPa，同时延展性也略有提升。这一点尤为关键，因为在传统材料中，“越强越脆”几乎是不可避免的规律。更令人惊讶的是其稳定性表现（图2b）。普通纳米晶铜箔在室温下会发生“自退火”，强度在24小时内下降约50%；而GSD铜箔在长达180天的存储后，几乎没有性能衰减，硬度始终保持在约2.7 GPa。当我们把视角放宽（图2c），与传统铜箔和铜合金对比时，可以清晰看到：GSD铜箔打破了“强度-延展性”的权衡关系，实现了两者同步提升。而在导电性方面（图2d），它同样表现出色。尽管内部结构更加复杂，其导电率仍稳定在约90% IACS，远高于许多强化铜合金。这意味着，这种材料不仅“结实”，而且“通电快”。
图2：展示材料的力学与电学性能，包括应力-应变曲线、长期稳定性以及与传统材料的对比。
微观机制：缺陷如何被“驯服”
那么，这种性能奇迹从何而来？答案藏在更微观的层面：位错行为。在拉伸变形后的结构观察中（图3a），铜箔整体呈现出连续变形，没有出现裂纹或局部失效，说明其变形是“均匀而温和”的。进一步分析（图3b–3d）显示，在不同层中，位错呈现出完全不同的形态：在“畴稀疏区”（图3中的层I），主要是较长的位错线，密度较低；而在“畴富集区”（层II），则聚集着大量短小而密集的位错。这些超纳米畴在这里扮演了“调控器”的角色。一方面，它们像“障碍物”一样阻挡位错运动（图3e、3f），提升材料强度；另一方面，又通过分层结构引导位错分布，使变形更加均匀。特别是在原子尺度分析中（图3g），可以观察到典型的部分位错结构，这进一步证明：材料内部的塑性变形是被精细调控的，而非随机发生。
图3：展示变形后微观结构，揭示不同层中位错分布差异及其与超纳米畴的相互作用。
更深层机理：纳米尺度下的协同作用
如果说前面的机制解释了“为什么更强”，那么更深层的图像（图4）则揭示了“为什么还能保持韧性”。在超纳米畴富集区域（图4a），研究人员观察到密度高达1016 m⁻²的位错——这一数值远超传统金属材料。这些位错在纳米尺度下与超纳米畴发生复杂相互作用（图4b、4c），形成扭曲、交错的结构。更关键的是，这些位错多为“螺型位错”（图4d），它们具有更强的运动自由度，可以跨越不同滑移面，从而避免被完全“锁死”。这使材料在保持高强度的同时，仍具备继续变形的能力。此外，局部应变分析（图4e、4f）显示，在超纳米畴周围形成明显的应力集中区，这种“应力调控”机制有助于实现应变分散，避免局部失效。换句话说，这种结构不仅“强化”了材料，还“引导”了变形路径，让材料在承受外力时更加从容。
图4：原子尺度分析位错行为，揭示螺型位错及应变分布机制，解释强度与韧性协同来源。
总结与展望
这项研究的意义，不仅在于制备出一张性能优异的铜箔，更在于提出了一种全新的材料设计思路：通过引入超纳米尺度的“结构单元”，并在空间上构建梯度分布，实现多性能的协同优化。这种策略成功解决了长期困扰材料科学的几个核心问题——强度与导电性的矛盾、自退火导致的失稳、以及纳米材料的脆性问题。同时，由于该方法兼容工业电沉积工艺，也具备良好的规模化潜力。未来，这种“超纳米畴+梯度结构”的设计理念，有望推广到更多金属体系，为高性能电子器件、储能材料乃至航空航天领域提供全新的材料解决方案。
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