电沉积法制备兼具微米晶粒与纳米孪晶结构的高导电铜膜及其性能突破

为解决高强高导铜材料的制备难题，研究人员通过直流电沉积(DC)技术优化pH、电流密度等参数，成功合成具有微米晶粒和纳米孪晶(mGnT-Cu)结构的铜膜，其导电率达103.8% IACS（四探针法），接近单晶铜水平，同时抗拉强度达283.8 MPa，为电子、航天等领域提供低成本规模化生产方案。

　　

在当今信息技术和新能源产业迅猛发展的背景下，高导电铜材料的需求急剧增长。无论是电动汽车的电机、风力发电机的绕组，还是通信芯片的互连线，都需要铜材料同时具备优异的导电性和机械强度。然而，传统强化手段如合金化或晶粒细化往往以牺牲导电性为代价，形成"强度-导电率此消彼长"的困境。单晶铜虽具有105.2% IACS的优异导电性，但其128.5 MPa的抗拉强度难以满足工业需求。如何突破这一"性能跷跷板"，成为材料科学领域的重大挑战。

针对这一难题，中国的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表了一项突破性研究。他们采用直流电沉积(DC)这一低成本、易规模化的方法，通过精确调控电解液pH值、电流密度和沉积时间等参数，成功制备出兼具微米级晶粒(1.12 μm)和纳米级孪晶(平均厚度55 nm)的特殊结构铜膜(mGnT-Cu)。这种独特的"双尺度"结构使材料导电率达到103.8% IACS（四探针法），接近单晶铜水平，同时抗拉强度提升至283.8 MPa，是单晶铜的2.2倍。

研究团队运用电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等先进表征技术，揭示了性能提升的微观机制。EBSD分析显示最优样品的孪晶比例达48.2%，Σ3晶界占比显著。这种高密度共格孪晶界既能有效阻碍位错运动（强化机制），又因其电子散射率比普通晶界低一个数量级，从而保持优异导电性。与传统纳米孪晶铜（晶粒400 nm，孪晶27 nm厚）相比，mGnT-Cu更大的晶粒尺寸和孪晶厚度进一步降低了电子散射概率，这是其超高导电性的关键。

在实验方法上，研究采用钛板阴极/铜板阳极体系，通过调节CuSO₄-H₂SO₄电解液的pH值(0.5-1.5)、电流密度(1-5 ASD)和沉积时间(5-20小时)等参数，系统优化了电沉积工艺。导电率测试采用四探针法和涡流法双重验证，力学性能通过拉伸试验评估，微观结构通过EBSD和TEM联合解析。

研究结果部分显示：

1. 电学性能：最优样品（pH 0.5，3 ASD，15小时）导电率达103.8±0.8% IACS（四探针法），涡流法测得111.7±1.49% IACS，显著优于无氧铜(100.5% IACS)和文献报道的纳米孪晶铜(96.9% IACS)。
2. 力学性能：抗拉强度283.8 MPa，延伸率15.2%，实现了强度-塑性的良好平衡。
3. 微观结构：晶粒尺寸1.12 μm，孪晶平均厚度55 nm，且(111)晶面取向占比高达72.3%。

结论与意义：
该研究通过简单的直流电沉积法，突破了传统高强高导铜材料的制备瓶颈。mGnT-Cu的优异性能源于其独特的"微米晶粒+纳米孪晶"分级结构：微米级晶粒减少晶界数量，纳米孪晶则通过共格界面的低散射特性维持高导电性，同时提供强化作用。相比脉冲电沉积(PED)等复杂工艺，该方法设备简单、成本低廉，阳极/阴极面积比从10:1降至常规比例，更利于工业化生产。据估算，若将我国所有电机换成此类高导铜(110% IACS)，年节电量可达185亿度，相当于葛洲坝电站的年发电量。这项研究为电子封装、超导磁体、航空航天等领域提供了极具应用前景的新材料解决方案。