A folha de cobre, como condutor chave para interconexões em circuitos integrados e substrato central para coletores de corrente em baterias de lítio, possui a dupla natureza de "nervo industrial" e "sangue da nova energia". Em ambientes de serviço com acoplamento multi-campo, ela não só precisa suportar cargas mecânicas complexas, mas também atender aos rigorosos requisitos de alta condutividade elétrica, alta condutividade térmica e estabilidade térmica de longo prazo.
Recentemente, o Instituto de Pesquisa de Metais da Academia Chinesa de Ciências, entre outros, desenvolveu uma folha de cobre que combina resistência ultra-alta, alta condutividade elétrica e excelente estabilidade térmica.
Um metal "três em um"
Com o aumento da demanda por desempenho de materiais em comunicações de computação de inteligência artificial e sistemas de nova energia de próxima geração, resolver o desequilíbrio entre resistência e plasticidade, condutividade elétrica e estabilidade térmica da folha de cobre tornou-se um fator limitante para expandir suas aplicações de alto nível.
Os pesquisadores adotaram um novo design de microestrutura de "gradiente ordenado" como núcleo. Durante o processo de deposição eletrolítica que atende às condições industriais, utilizando pequenas quantidades de aditivos orgânicos, formaram nanodomínios de alta densidade em uma matriz de grãos nanocristalinos de folha de cobre com pureza de 99,91% e espessura de 10 mícrons.
Esses nanodomínios têm um tamanho médio de apenas 3 nanômetros e exibem uma "estrutura ordenada de gradiente" em nanoescala com distribuição alternada periódica de "pobre e rica" ao longo da espessura da folha de cobre. A folha de cobre com nanodomínios de "gradiente ordenado" assim constituída atinge uma resistência à tração de até 900 megapascais, ultrapassando o limite de resistência das folhas de cobre convencionais.
Ao mesmo tempo, a condutividade elétrica da folha de cobre é mantida em 90% IACS, aproximadamente 2 vezes maior do que a de ligas de cobre no mesmo nível de resistência. Após quase seis meses armazenada à temperatura ambiente, seu desempenho não apresentou degradação. Isso quebra o "triângulo impossível" onde resistência, condutividade elétrica e estabilidade térmica dificilmente podem ser obtidas simultaneamente.
Forte em todas as direções
O aprimoramento sinérgico do desempenho da nova folha de cobre decorre do efeito de ordenação dupla dos nanodomínios entre os grãos e dentro dos grãos.
Na direção horizontal, os nanodomínios uniformemente distribuídos entre os grãos suprimem a localização da deformação, melhorando a capacidade de deformação uniforme geral do material.
Na direção vertical, os nanodomínios distribuídos em gradiente induzem uma densidade ultra-alta de discordâncias geometricamente necessárias, resultando em fortalecimento.
Particularmente, quando nanodomínios de densidade ultra-alta e tamanho extremamente pequeno formam interfaces semicoerentes com a matriz, eles não apenas ancoram efetivamente os contornos de grão, inibindo o crescimento dos grãos, mas também, devido ao seu espalhamento muito fraco de elétrons, garantem a alta condutividade elétrica da folha de cobre.
A pesquisa não apenas fornece uma nova abordagem de design para a preparação de folhas de cobre de alto desempenho, mas também demonstra o potencial da estratégia de "gradiente ordenado de unidades básicas" no desenvolvimento de materiais integrados de estrutura e função de próxima geração, tendo grande importância para o desenvolvimento das indústrias de eletrônicos de informação e de nova energia.