手机充电爱发热？我国研发“超级铜箔”或将破解这一问题

序构金属关键突破：梯度纳米畴铜箔实现强度、导电与热稳定协同跃升

材料科学领域迎来里程碑式进展。中国科学院金属研究所卢磊团队在序构金属研究中取得核心突破，成功制备出兼具超高强度、优异导电率与卓越热稳定性的梯度纳米畴铜箔。该成果直接破解了长期制约高性能金属材料发展的强度-导电-热稳定“不可能三角”难题，为高端电子及能源装备用铜箔的研发确立了全新范式。研究论文已于4月17日发表于《科学》（Science）。

传统铜箔的性能瓶颈根植于其微观结构。提升强度通常依赖合金化或晶粒细化，但这会显著增加电子散射，导致导电率下降；而高温环境下的晶粒长大与界面失稳，则进一步威胁材料的长久可靠性。在AI算力芯片与高能量密度电池对导体材料提出极限要求的当下，这一矛盾尤为尖锐。寻求一种本征性协同强韧化与功能优化的方案，成为产业与学术界的共同目标。

卢磊团队的研究给出了明确路径：通过原子尺度的梯度序构设计实现性能协同。他们在厚度仅10微米的高纯铜箔（纯度99.91%）内部，构建了平均尺寸约3纳米的高密度纳米畴。这些纳米畴并非随机弥散，而是沿厚度方向呈现精密的周期性梯度排列。这种从材料基元入手的结构调控，是打破性能制约的关键。

性能数据直观体现了突破性：该铜箔抗拉强度达到900兆帕，约为商用高纯铜箔的两倍；同时其导电率保持在纯铜的90%水平。这意味着在同等强度下，其导电能力远超传统强化铜合金。更为突出的是，材料展现出优异的热稳定性，长期常温存放后性能无衰减，解决了高强度导体常见的时效退化问题。

这一性能组合直接赋能下一代高端应用。在集成电路领域，它有望实现更细线宽、更低电阻的互连线，从而提升芯片集成度与能效；在新能源领域，可为动力电池提供更薄、更高载流能力、更耐热的集流体，助力实现快速充电与高安全性的统一。这为相关产业的技术迭代提供了坚实的材料基础。

协同性能提升源于独特的“晶间-晶内”双重序构机制。水平方向上，均匀分布的纳米畴有效协调了晶粒间的应变，抑制局部应力集中，提升了材料均匀变形能力与韧性。垂直方向上，梯度分布的纳米畴诱导产生了超高密度的几何必需位错，贡献了显著的强化效应。尤为关键的是，纳米畴与铜基体间形成的半共格界面，既能有效钉扎晶界、抑制热/力作用下的晶粒粗化，又因其极低的电子散射截面，最大程度地保留了铜的高本征导电性。

此项研究的深远意义在于提出了“基元梯度序构”这一普适性材料设计策略。它不仅成功制备出了一种可工业级连续生产的高性能铜箔，更示范了通过多尺度序构调控来协同优化金属结构-功能属性的全新可能，为开发下一代一体化高性能金属材料开辟了明确的技术方向，对电子信息与新能源产业的战略发展具有重要价值。

（参考信息略）

来源：互联网