銅箔作為集成電路互連線的關(guān)鍵導(dǎo)體與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”的雙重戰(zhàn)略屬性。在多場耦合服役環(huán)境下，它不僅要承受復(fù)雜的力學(xué)載荷，還需同時滿足高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱與長期熱穩(wěn)定性的嚴(yán)苛要求。隨著AI算力通信與下一代新能源系統(tǒng)對材料性能需求的持續(xù)升級，如何破解銅箔在強(qiáng)度與塑性、導(dǎo)電性、熱穩(wěn)定性之間長期存在的“此消彼長”困境，已成為拓展其高端應(yīng)用的核心瓶頸。因此，打破性能壁壘、實(shí)現(xiàn)多性能協(xié)同提升，是當(dāng)前材料科學(xué)與工程領(lǐng)域亟需突破的關(guān)鍵課題。

近日，這一難題迎來重要突破。中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心盧磊研究員團(tuán)隊(duì)與合作者, 成功研發(fā)出一種兼具超高強(qiáng)度、高導(dǎo)電性與優(yōu)異熱穩(wěn)定性的銅箔，相關(guān)研究結(jié)果于北京時間2026年4月17日在《科學(xué)》(Science)周刊在線發(fā)布。

圖1 梯度納米疇銅箔的微觀結(jié)構(gòu)

這項(xiàng)突破的核心在于一種全新的“梯度序構(gòu)”微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。研究團(tuán)隊(duì)在在滿足工業(yè)化條件的電解沉積制備過程中，通過巧妙地利用微量有機(jī)添加劑，在10微米厚銅箔（純度99.91%）的納米晶�；w上形成了高密度納米疇。這些納米疇平均尺寸僅為3nm，沿銅箔厚度方向呈“貧、富”交替周期分布的納米尺度梯度序構(gòu)（圖1）。梯度序構(gòu)納米疇銅箔的拉伸強(qiáng)度高達(dá)900兆帕，突破了常規(guī)銅箔的強(qiáng)度極限。同時，該銅箔導(dǎo)電率保持在90%IACS，較同等強(qiáng)度水平的銅合金提升約2倍；室溫放置近半年后性能無衰減（圖2），成功攻克了強(qiáng)度、導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性難以兼得的“不可能三角”。

圖2 梯度納米疇銅箔的拉伸性能、熱穩(wěn)性與導(dǎo)電性

優(yōu)異性能的協(xié)同提升源于納米疇在“晶粒間和晶粒內(nèi)”的雙重序構(gòu)效應(yīng)。水平方向上，晶粒間均勻分布的納米疇能有效抑制應(yīng)變局域化，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，實(shí)現(xiàn)顯著強(qiáng)化。尤其是，超高密度、極小尺寸的納米疇與基體呈半共格界面，既能有效釘扎晶界，抑制晶粒長大，又因其對電子的散射作用極弱，確保銅箔的高導(dǎo)電性。

該研究不僅為高性能銅箔的制備開辟了全新的設(shè)計(jì)思路，也展現(xiàn)了“基元梯度序構(gòu)”策略在開發(fā)下一代結(jié)構(gòu)—功能一體化材料研發(fā)中的巨大潛力，值得強(qiáng)調(diào)的是，梯度納米疇銅箔已具備在工業(yè)條件下的連續(xù)化生產(chǎn)能力，為其規(guī)�；瘧�(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，對電子信息產(chǎn)業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。

該工作中金屬所程釗研究員、博士生柳林海和福州大學(xué)喻志陽研究員、博士生葉曉圓為論文共同第一作者，盧磊研究員為通訊作者。該研究獲得國家自然科學(xué)基金委重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目、區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)基金、青年B類和中國科學(xué)院全球共性挑戰(zhàn)專項(xiàng)等項(xiàng)目資助。

全文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed7758

作者簡介

盧磊，博士，女，中國科學(xué)院金屬研究所研究員、博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院人才計(jì)劃、國家杰出青年科學(xué)基金、國家級科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才獲得者，中國科學(xué)技術(shù)部“納米前沿”重點(diǎn)專項(xiàng)總體專家組副組長，遼寧省“興遼計(jì)劃”創(chuàng)新領(lǐng)軍人才等�，F(xiàn)任國際納米材料、國際材料強(qiáng)度大會委員會委員；Acta Materialia 和Scripta Materialia 期刊編輯。主要從事納米結(jié)構(gòu)金屬材料的制備、力學(xué)性能及變形機(jī)理的基礎(chǔ)研究。發(fā)表SCI論文159篇（其中包括Science 8篇，Nature 2篇），被SCI文章引用>25000次，獲國內(nèi)發(fā)明專利16項(xiàng)，國際發(fā)明專利6項(xiàng)。近年來在國際學(xué)術(shù)會議做大會、主題和邀請報告80余次。曾獲中國科學(xué)院院長獎學(xué)金特別獎、全國優(yōu)秀百篇博士學(xué)位論文獎、中國青年女科學(xué)家獎、2014-2016年獲湯森路透“全球高被引用科學(xué)家”，2015-2023年獲愛思唯爾“中國高被引學(xué)者”、2019-2021年獲中國科學(xué)院“優(yōu)秀導(dǎo)師獎”、2021年獲“TMS Brimacombe Medal Award”，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)“科教融合優(yōu)秀導(dǎo)師獎”等獎項(xiàng)。

課題組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。課題組瞄準(zhǔn)國際前沿和國家重大需求，堅(jiān)持原創(chuàng)性研究，不斷拓寬研究基礎(chǔ)，致力于在多尺度納米金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制備技術(shù)方面取得突破，深入研究多尺度納米金屬材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、微觀結(jié)構(gòu)與性能的本征關(guān)系，揭示多尺度納米金屬材料強(qiáng)韌化機(jī)理，實(shí)現(xiàn)金屬材料綜合性能的整體提高。同時課題組注重人才培養(yǎng)，特別是研究生隊(duì)伍科研能力和綜合素質(zhì)的培養(yǎng)與提高，以為材料科學(xué)研究培養(yǎng)優(yōu)秀后備人才為重要使命。

代表性論文

1.?Superior resistance to cyclic creep in a gradient structured steel.Science, 388（2025）82-88.

2. Atomic faulting induced exceptional cryogenic strain hardening in gradient-cell-structured alloy. Science, 382 (2023)185–190.

3. Unraveling the origin of extra strengthening in gradient nanotwinned metals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 119 (2022) e2116808119.

4. Gradient cell–structured high-entropy alloy with exceptional strength and ductility. Science, 374 (2021) 984–989.

5. Extra strengthening and work hardening in gradient nanotwinned metals. Science, 362 (2018) 559.

6. History-independent cyclic response of nanotwinned metals. Nature, 551 (2017) 214-217.

7. Dislocation nucleation governed softening and maximum strength in nano-twinned metals. Nature, 464 (2010) 877-880.

8. Strengthening materials by engineering coherent internal boundaries at the nanoscale. Science, 324 (2009) 349-352.

9. Revealing the maximum strength in nanotwinned copper. Science, 323 (2009) 607-610.

10. Ultrahigh strength and high electrical conductivity in copper. Science, 304 (2004) 422-426.

來源：中國科學(xué)院金屬研究所