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随着电气、电子与通信技术的快速发展，对高性能金属导电材料的需求日益迫切。传统上，金属的电导率提升主要依赖消除晶界、杂质等缺陷，以降低电子散射。然而，这种方法带来的性能提升极为有限。如何在保持甚至提高强度的同时，进一步突破金属的电导率极限，成为材料科学领域长期未解的难题。铜作为应用最广的导电金属，自 1913 年国际退火铜标准（IACS）确立后，电导率提升长期受限，即便 7N 级无氧铜也不足 103% IACS，强度与导电的固有制衡更是长期难以突破。
2026年2月，上海交通大学张荻教授、熊定邦教授团队在国际顶级期刊《Nature Communications》上发表题为“Enhancing electrical conductivity by defects in metals”的研究论文。该团队颠覆传统思路，提出“缺陷工程反向调控电导率”新策略：通过异质界面辅助塑性变形，在铜中构建大量晶格严重畸变的缺陷结构，将传统意义上的“缺陷”转化为导电通道，成功在室温下实现了超过110% IACS的块体电导率，同时兼具高强、高热稳定性（773 K下性能无明显衰减），突破了铜基材料百年来“高纯度、高完整性才能获得高导电性”的传统认知，为高性能金属导体开发提供了全新范式。
01核心内容
该研究提出“缺陷工程反向调控电导率”新策略，通过异质界面引入可控晶格畸变，替代传统“消除缺陷”路径：
1、痕量石墨烯辅助塑性变形：在铜晶界处引入仅数十ppm级的石墨烯，抑制热压过程中的跨层晶粒粗化，赋予铜优异的变形能力--直径13 mm的挤压棒可在无中间退火条件下冷拉至直径<0.03 mm的细丝（真应变≈12）。
2、纳米层状结构构建：冷拉过程中石墨烯被剪切分散，铜层持续细化至纳米级，形成厚度约100 nm的层状结构，层内保留高密度应变能。
3、退火诱发局域巨型应力：退火时铜与石墨烯的热膨胀系数失配释放应变能，在Cu-C界面形成多向压应力，诱导铜晶格产生5%~10%的严重畸变，等效于约10 GPa的外加高压，且该应力可稳定保留在块体材料中。
4、电子-声子耦合抑制机制：第一性原理计算证实，5%压应变可使铜的电子-声子耦合常数λ从0.124降至0.095，显著降低声子对电子的散射概率，是电导率跃升的核心原因。
02研究成果
1、 颠覆性的微观结构特征
（1）晶粒异质细化：纯铜退火晶粒粗化至～50μm，Gr-Cu 保持纳米晶（~175 nm），石墨烯有效抑制晶粒长大。
（2）巨晶格畸变：晶界处 Cu (111) 晶面间距变化～10%，(200) 晶面膨胀～27%，对应局部应力达数十吉帕。
（3）应变定向聚集：退火使应变从晶粒内部向晶界转移，形成连续畸变导电纳米层（厚度 5-20 nm）。
（4）界面强结合：石墨烯与铜界面无氧化、无分离，稳定传递内应力，无界面电子散射损耗。
2、超越银的综合性能
（1）超高电导率：室温电导率 >110% IACS，超过铜单晶与纯银，较传统纯铜提升超 10%。
（2）强塑导协同：同时实现高强度与超高导电，破解金属材料 “强化必降导电” 的百年难题。
（3）低成本优势：石墨烯添加量极低，成本接近普通铜，远低于银。
（4）轻量化与高载流：密度与纯铜相当（约为银的 85%），载流能力优于纯铜，适配大功率场景。
（5）高热稳定：773 K 内结构与导电性能稳定，满足高温工况使用。
3、全新电子输运机制
（1）电子-声子耦合（EPC）显著抑制：压缩应变 5% 时，EPC 常数从 0.124 降至 0.095，电子散射大幅减弱。
（2）缺陷变资源：纳米晶+晶界畸变不再降低导电，反而随晶粒细化电导率同步升高。
（3）内禀高压效应：晶格畸变产生的内应力，等效外部 10 GPa 高压的导电增强效果，且无需外场维持。
图1 超高导电石墨烯-铜线的制备、微观结构与性能。a 连续冷拉工艺示意图。b 直径约 0.4mm 退火铜样品拉制方向-法向（DD-ND）的电子背散射衍射（EBSD）带衬度图。c-e 直径分别约为0.4mm、0.1mm 和 0.05mm 的退火石墨烯- 铜线 DD-ND 的 EBSD 带衬度图。f 直径约 0.05mm 退火石墨烯-铜线 DD-ND 的明场 TEM 图像，取样于图 e 中白色方框标记的区域。g 平均电导率随应变与直径的变化曲线。g 中数据以平均值 ± 标准差（SD）表示（n=3），每个电导率值取自三个独立样品，每个样品重复测量五次。h 石墨烯-铜复合材料与已报道的粗晶铜、纳米晶铜、变形铜等材料的电导率-晶粒尺寸对比。不同对比样品的缩写与参考文献列于补充图 8。i 冷拉石墨烯-铜线的照片。j 石墨烯-铜与银的综合性能雷达图
图2 冷拉与退火后石墨烯-铜样品的微观结构与积分一维衍射图谱。a, d 冷拉与退火后石墨烯-铜样品的明场 TEM 图像。b, e 对应 a, d的旋进电子衍射（PED）核平均取向差（KAM）图，色标表示核平均取向差范围为 0 至 5°。c 冷拉样品中纳米孪晶的高分辨 TEM（HRTEM）图像。f 沿晶界分布的畸变纳米层的 HRTEM 图像。g 几何相位分析得到的 f 中白色方框标记 R1 区域的应变分布图，显示纳米层中的应力集中。水平（x）与垂直（y）方向对应快速傅里叶变换（FFT）图案中红色与黄色圆圈的 g 矢量。h 冷拉与退火后石墨烯-铜线的同步辐射 X 射线微衍射积分图谱，显示退火后石墨烯-铜线中存在各向异性峰展宽
图3 加热过程中诱导局部应力的微观结构演变。a-d 原位 TEM加热过程中微观结构与界面演变的 HRTEM 图像。红色虚线表示冷拉样品中的晶界，白色虚线表示畸变纳米层的边界。e 转移石墨烯与不同阶段石墨烯-铜样品的拉曼光谱。f 加热过程中石墨烯与铜基体各向异性膨胀诱导压应变的示意图。红色箭头表示石墨烯收缩与铜膨胀引发的双轴压应变，黄色箭头表示石墨烯与铜基体同时膨胀引发的单轴压应变。g, h 原位加热后的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像，显示畸变纳米层中压应力导致的典型严重晶格畸变
图4 应变对电学性能影响的第一性原理计算与冷拉、退火后石墨烯-铜线的电阻率温度依赖性。a 铜在 0%（红色）、2%（蓝色）、5%（绿色）和 10%（黑色）不同压应变下的 Eliashberg 谱函数α²F (ω) 与电子-声子耦合（EPC）λ(ω)。b 3K 至 300K 范围内冷拉与退火后石墨烯-铜的电阻率温度依赖性
03总结与展望
这项工作打破了“高导电金属必须高纯度、低缺陷”的百年固有认知，首次证明可控晶格缺陷可成为导电增益的来源，无需依赖高压等极端外场即可实现电导率的稳定提升。所提出的“异质界面辅助塑性变形+退火应力调控”策略具有普适性，可拓展至银、金等其他贵金属体系，也为二维材料/金属复合材料的设计提供了新思路。该成果有望在电力传输、新能源汽车、高端芯片封装等领域实现产业化应用，显著降低能耗与系统成本。
信息来源：
https://doi.org/10.1038/s41467-026-69357-5
