我国团队突破零膨胀复合材料性能极限：以竹子为灵感，可用于芯片和散热器等
IT之家 12 月 30 日消息，据“科学岛在线”今日消息，中国科学院合肥物质院固体所联合中国电子科技集团第四十三所、中国散裂中子源科学中心、上海同步辐射光源等单位，采用仿生策略，成功研制出两类兼具优良力学与导热性能的零膨胀金属基复合材料， 为零膨胀复合材料的性能突破提供了全新思路 。
相关研究成果分别发表于 Acta Materialia（Acta Mater., 2026, 304, 121799）和 Journal of Materials Science & Technology（J. Mater. Sci. Technol., 2025, 213 90-97）。
零膨胀材料（IT之家注：线膨胀系数小于 1×10 -6 /K） 在温度变化时能保持尺寸高度稳定 ，可显著降低系统内部的热应力和热疲劳，是保障精密仪器的设计精度、提升其服役稳定性和延长使用寿命的核心关键材料，在光学设备、精密仪表、高功率电子器件等领域具有重要应用前景。
目前，将负热膨胀材料和金属铜、铝等进行复合，通过“正-负相抵”实现零膨胀特性，是该类材料研发的核心技术路线。然而，现有负热膨胀材料多为陶瓷或金属间化合物，存在脆性大、热导率低等固有缺陷，且传统研究多采用负热膨胀颗粒均匀散布于金属基体中。 这种弥散构型设计虽能实现零膨胀，却严重牺牲了复合材料的韧性与导热性能 ，难以满足复杂工况下的应用需求。因此，如何在实现零膨胀的同时，协同提升导热与力学性能，始终是制约零膨胀复合材料发展的关键瓶颈之一。
为应对上述挑战，研究团队借鉴珍珠壳层“砖（碳酸钙）-泥（有机质）”交替堆叠的强韧化结构，设计并制备出一种由纯铜箔与负热膨胀（Zn / Sn / MnNMn 3 , ZSM）颗粒增强铜复合层（ZSM / Cu p ）交替堆叠的层状复合材料（图 1）。
通过对层厚与组分比例的精准调控，利用层间热应力的相互补偿机制，成功实现了材料的三维宏观零膨胀。同时，连续的纯铜箔层构成了高效热传递“高速公路”，使得沿层叠方向的导热率高达 200 Wm -¹ K -¹ ， 是传统弥散构型零膨胀材料的三倍以上 。
此外，韧性铜箔层可有效缓解应力集中、抑制裂纹扩展，复现了类似于珍珠层中“裂纹偏转”的能量耗散机制，使叠层构型零膨胀复合材料的断裂韧性 提升至传统构型的四倍 。
这种兼具高导热、高韧性的零膨胀复合材料，有望成为极端热 / 机械冲击环境下高精度光学与电子系统散热基板与支撑结构的核心候选材料。