[发明专利]一种纳米孪晶铜箔及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米孪晶铜箔及其制备方法，属于电解铜箔制备技术领域。该铜箔利用直流电解沉积技术制备得到，其厚度在3‑100微米范围内可控调节。该铜箔内部微观结构由柱状晶粒组成，自下而上，柱状晶粒尺寸由纳米量级逐渐增加到微米量级；柱状晶粒内存在纳米尺度的孪晶片层，晶粒的取向由随机取向变为强(111)织构。纳米孪晶铜箔的厚度为6微米时，其抗拉强度高于500MPa，同时具有较高的稳定性和导电性，在锂离子电池和电路板领域具有较好的应用前景。

技术领域

本发明涉及电解铜箔制备技术领域，具体涉及一种纳米孪晶铜箔及其制备方法。

背景技术

铜箔是电子工业的基础材料之一，主要用于电子电路和锂离子电池等领域。随着新能源、电信装备(5G)、机器人、柔性可穿戴设备、智能汽车等领域的高速发展，对铜箔性能的要求日益增长。然而，目前大部分铜箔材料多通过轧制或电解沉积技术获得，高的强度、高的延伸率、高导电以及极薄的厚度尺寸往往难以兼得，这严重阻碍了先进电子设备和高性能电池的发展。为此，极薄铜箔(厚度小于6微米)已经被国家工信部列为重点新材料。

目前在铜箔的制备过程中，提高其强度的方法大多基于细化晶粒的思路。比如在对于压延铜箔在轧制过程中提高应变量，使其晶粒尺寸减小；对于电解铜箔在制备过程中通过提高电流密度或使用添加剂提高阴极极化程度，同样使晶粒尺寸减小。细晶强化的原理是通过晶界阻碍位错运动从而提高材料强度，如Hall-Petch关系描述了金属材料的强度与晶粒尺寸的0.5次方成反比。然而，在细晶强化过程中由于位错运动受到晶界的限制，金属材料的塑性(延展性)会显著降低，即表现出强度与塑性的倒置关系。与此同时，晶界作为一种无序、高能量的面缺陷，细化晶粒势必会降低铜箔材料的导电性与热稳定性。

与细晶强化相比，纳米孪晶强化能够使纯铜材料同时具备高的强度、塑性、导电性与热稳定性。自21世纪初期纳米孪晶结构被发现以来，纳米孪晶结构强韧化一直是材料科学领域研究的热门问题。比如，利用脉冲电解沉积制备的等轴纳米孪晶Cu强度高达1000MPa，同时具有良好的延伸率(～13％)、优异的导电性(97％IACS)、极低的电迁移率；利用直流电解沉积制备的柱状纳米孪晶Cu，除了优异的强度、塑性和电学性能外，还具有优异抗疲劳性能。纳米孪晶结构具有如此优异的力学和电学性能的原因在于，共格的孪晶界一方面能够阻碍位错运动达到提高强度的目的，另一方面能够与位错反应并提高位错运动空间以达到保持良好塑性的作用；共格孪晶界的能量仅为普通晶界的十分之一，因此具有良好的热稳定性以及抗电迁移能力；孪晶界附近原子排列整齐，对电子散射程度降低，因此具有良好的导电性。

发明内容

为了解决目前铜箔材料中存在的强度与塑性无法兼得的问题，本发明提供一种纳米孪晶铜箔及其制备方法，所制备的铜箔利用纳米孪晶结构强韧化的原理，获得高强度、高塑性的铜箔材料。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种纳米孪晶铜箔，是由柱状晶粒组成，孪晶片层的晶粒尺寸自下而上逐渐增加，其短轴尺寸变化范围为200～950nm；柱状晶粒内含有纳米尺度的孪晶片层，平均纳米孪晶片层厚度处于100nm以下。

所述柱状晶粒的取向自下而上由随机取向变为强(111)织构。

所述纳米孪晶铜箔的厚度为3-100μm。

所述纳米孪晶铜箔的性能：纯度为99.995±0.005at％，室温条件下抗拉强度大于500MPa，延伸率为1～5％。

所述纳米孪晶铜箔通过直流电解沉积技术制备而成，所述直流电解沉积技术中，所用电解液成分如下：

所用电解液优选的组成如下：