Медная фольга, являющаяся ключевым проводником для межсоединений в интегральных схемах и основным материалом для токосъемников в литий-ионных аккумуляторах, обладает двойственными свойствами: она служит «нервом промышленности» и одновременно «кровью новой энергетики». В условиях многофакторного сопряженного воздействия она должна не только выдерживать сложные механические нагрузки, но и одновременно удовлетворять строгим требованиям высокой электропроводности, высокой теплопроводности и долгосрочной термической стабильности.

Недавно Институт исследования металлов при Китайской академии наук и другие организации разработали медную фольгу, обладающую одновременно сверхвысокой прочностью, высокой электропроводностью и отличной термической стабильностью.

Металл, владеющий «троеборьем»

С ростом требований к производительности материалов для систем ИИ-вычислений и связи, а также для нового поколения новых энергетических систем, преодоление дисбаланса между прочностью и пластичностью, электропроводностью и термической стабильностью медной фольги стало сдерживающим фактором для расширения ее высокотехнологичного применения.

В основе работы исследователей лежит новая концепция микроструктуры «градиентной суперструктуры». В процессе электроосаждения, отвечающего промышленным условиям, с использованием микроколичеств органических добавок на основе нанозерен медной фольги чистотой 99,91% и толщиной 10 микрон были сформированы нанодомены высокой плотности.

Эти нанодомены имеют средний размер всего 3 нанометра и образуют периодически чередующееся распределение «бедных» и «богатых» наноразмерных «градиентных суперструктур» по толщине фольги. Прочность на растяжение сформированной таким образом «градиентной суперструктурной» нанодоменной медной фольги достигает 900 мегапаскалей, что превосходит предел прочности обычной медной фольги.

Одновременно с этим электропроводность данной фольги сохраняется на уровне 90% IACS, что примерно в 2 раза выше, чем у медных сплавов с аналогичным уровнем прочности. После почти полугодового хранения при комнатной температуре испытания показали отсутствие снижения характеристик. Это разрушило «невозможный треугольник», в котором прочность, электропроводность и термическая стабильность медной фольги долгое время считались трудносовместимыми.

Прочная и «поперёк», и «вдоль»

Синергетическое улучшение свойств новой медной фольги обусловлено двойным эффектом упорядочения нанодоменов — как внутри зерен, так и на границах зерен.

В горизонтальном направлении равномерно распределенные между зернами нанодомены подавляют локализацию деформации, повышая общую способность материала к равномерной деформации.

В вертикальном направлении градиентно распределенные нанодомены индуцируют образование геометрически необходимых дислокаций сверхвысокой плотности, обеспечивая упрочнение.

Особенно важно, что когда нанодомены сверхвысокой плотности и чрезвычайно малого размера образуют полукогерентную границу раздела с матрицей, они эффективно блокируют границы зерен, подавляя рост зерен, и, благодаря чрезвычайно слабому рассеянию электронов, обеспечивают высокую электропроводность медной фольги.

Исследование не только предлагает новую концепцию дизайна для производства высокопроизводительной медной фольги, но и демонстрирует потенциал стратегии «градиентной суперструктуры элементарных единиц» в разработке структурно-функциональных материалов следующего поколения, что имеет большое значение для развития электронной информационной промышленности и индустрии новых источников энергии.