近日，河南科技大学宋克兴团队与卢伟伟团队合作，通过 ** 离子液体功能化石墨烯（IL-Gr）** 技术，成功制备出超高力学性能的铜箔，为行业难题提供了创新解决方案。相关成果以 “Positively-charged graphene mediate the crystal growth and microstructure to achieve ultrahigh mechanical properties of electrodeposited copper foils” 为题发表于《Journal of Materials Research and Technology》期刊。
背景介绍：当 “电子产业基石” 遭遇性能瓶颈
在 5G 通信、人工智能、新能源汽车等领域，电沉积铜箔是支撑芯片封装、印刷电路板（PCB）和锂电池集流体的 “核心材料”。随着电子设备向超薄化、高密度化发展，以及锂电池对高能量密度、长循环寿命的追求，铜箔面临两大关键挑战：一是传统铜箔强度不足（约 250 MPa），但过度强化会牺牲延展性（延伸率＜3%），导致弯折断裂或循环失效；二是粗糙表面（＞3.5 μm）易引发信号损耗、涂层脱落，难以满足高端 PCB 的平整度要求。
石墨烯（Gr）作为 “最强二维材料”，理论上可通过纳米强化提升铜箔性能，但其易团聚、界面结合弱的特性却成了 “卡脖子” 问题。如何让石墨烯在镀液中 “乖乖分散” 并与铜基质 “紧密结合”？本文给出了破局方案。
文章亮点：三大创新重构铜箔性能天花板
离子液体 “神助攻”：让石墨烯从 “团聚体” 变 “均匀散” 研究团队为石墨烯穿上一层 “离子液体外衣”—— 通过 N-(3 – 氨基丙基)-3 – 癸基咪唑氯化物（[C₁₀NH₂CIm] Cl）修饰，使石墨烯发生三大转变：一是分散性飞跃，在水中稳定分散 48 小时不沉淀（未改性石墨烯 6 小时分层），镀液中均匀性提升 3 倍；二是实现电荷反转，表面 Zeta 电位从 0 mV 变为 + 23 mV，在电场驱动下主动 “游向” 阴极，与 Cu²⁺离子同步沉积，避免随机夹杂；三是层数减薄，从 4.5 层剥离至 3.2 层，比表面积增大，强化位点更丰富。
纳米级 “双向调控”：晶粒细化 + 孪晶增密，强韧同步飙升 改性石墨烯化身 “纳米模板”，在铜箔生长过程中施展 “双重魔法”：平均晶粒尺寸从常规微米级骤降至0.23 μm（细化 65%），根据霍尔 – 佩奇效应，晶界阻碍位错运动，抗拉强度直接翻倍；Σ3 孪晶界密度从 15% 提升至23.4%，这种 “纳米孪生结构” 像 “缓冲带” 一样吸收变形能，让延伸率从 2.29% 跃升至 7.19%，打破 “强度 – 延展性矛盾”。
性能数据 “碾压级” 突破
绿色工艺 + 理论支撑：从实验室到产线的 “无缝衔接” 该工艺无需高温烧结或复杂表面处理，仅需在传统电沉积液中添加 0.3 g/L IL-Gr，电流密度 20 A/dm² 室温沉积，适配现有产线；通过密度泛函理论（DFT）证实，离子液体与石墨烯形成强共价键（N-C 键长 1.46 Å），界面结合能提升 40%，确保载荷高效传递。
图文解析：关键数据可视化
图1 （a）制备IL-Gr的实验流程图 （b）照片对应于非官能化Gr和IL-Gr的水性分散体。
图4 通过共沉积法制备IL-Gr增强铜箔的示意图
图13 IL-Gr 对 Cu²⁺ 离子电沉积作用示意图：（a）IL-Gr 受阴极的静电吸附；（b）IL-Gr 对铜箔表面形貌和微观结构的影响；（c）IL-Gr 对晶内孪晶界形成的影响。
未来展望：从 “单一强化” 到 “多维赋能” 的材料革命
这项研究不仅破解了铜箔性能瓶颈，更开辟了二维材料改性的新路径。未来，离子液体功能化技术有望从铜箔拓展至铝、镍等金属基复合材料，为航空航天、新能源汽车提供轻量化解决方案，其绿色工艺还将推动电镀行业向环保转型。随着电子与能源产业对高性能材料的需求爆发，这种 “强韧兼备” 的创新策略，或将成为下一代金属基复合材料的核心技术，引领材料科学迈向更广阔的应用空间。
文献信息
Peng Xu, Weiwei Lu, Qianqian Zhu, Hao Hu, Haitao Liu, Binfeng Fan, Qingfu Wang, Xiangkui Yang, Kexing Song, Positively-charged graphene mediate the crystal growth and microstructure to achieve ultrahigh mechanical properties of electrodeposited copper foils, Journal of Materials Research and Technology, Volume 35, 2025, Pages 5563-5576, ISSN 2238-7854, https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.02.133.
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