相關研究成果分別發表于Acta Materialia（Acta Mater., 2026, 304, 121799）和 Journal of Materials Science & Technology(J. Mater. Sci. Technol., 2025, 213 90-97)。

零膨脹材料（注：線膨脹系數小于 1×10-6/K）在溫度變化時能保持尺寸高度穩定，可顯著降低系統內部的熱應力和熱疲勞，是保障精密儀器的設計精度、提升其服役穩定性和延長使用壽命的核心關鍵材料，在光學設備、精密儀表、高功率電子器件等領域具有重要應用前景。

目前，將負熱膨脹材料和金屬銅、鋁等進行復合，通過“正-負相抵”實現零膨脹特性，是該類材料研發的核心技術路線。然而，現有負熱膨脹材料多為陶瓷或金屬間化合物，存在脆性大、熱導率低等固有缺陷，且傳統研究多采用負熱膨脹顆粒均勻散布于金屬基體中。這種彌散構型設計雖能實現零膨脹，卻嚴重犧牲了復合材料的韌性與導熱性能，難以滿足復雜工況下的應用需求。因此，如何在實現零膨脹的同時，協同提升導熱與力學性能，始終是制約零膨脹復合材料發展的關鍵瓶頸之一。

為應對上述挑戰，研究團隊借鑒珍珠殼層“磚（碳酸鈣）-泥（有機質）”交替堆疊的強韌化結構，設計并制備出一種由純銅箔與負熱膨脹(Zn / Sn / MnNMn3, ZSM)顆粒增強銅復合層(ZSM / Cup)交替堆疊的層狀復合材料（圖 1）。

通過對層厚與組分比例的精準調控，利用層間熱應力的相互補償機制，成功實現了材料的三維宏觀零膨脹。同時，連續的純銅箔層構成了高效熱傳遞“高速公路”，使得沿層疊方向的導熱率高達 200 Wm-1K-1，是傳統彌散構型零膨脹材料的三倍以上。

此外，韌性銅箔層可有效緩解應力集中、抑制裂紋擴展，復現了類似于珍珠層中“裂紋偏轉”的能量耗散機制，使疊層構型零膨脹復合材料的斷裂韌性提升至傳統構型的四倍。

這種兼具高導熱、高韌性的零膨脹復合材料，有望成為極端熱 / 機械沖擊環境下高精度光學與電子系統散熱基板與支撐結構的核心候選材料。

▲ 圖 1.?仿貝殼結構的疊層銅基復合材料及其零膨脹特性、單向高熱導率和強韌性

在此基礎上，團隊借鑒竹莖壁維管束梯度分布的生物力學原理，成功構筑出負膨脹 ZSM 顆粒含量呈梯度變化的鋁基復合材料。

該復合材料由具有不同 ZSM 顆粒含量的 ZSM/2024Al 層鋪疊而成，ZSM 的體積分數從 0%(純 2024 鋁層)逐層增加至 28%(高 ZSM 層)(圖 2)。

在 285-320K 溫區內，材料的平均線膨脹系數從純 2024 鋁層的 21 ppm/K，逐漸降低至高 ZSM 層的~3.4 ppm/K（其中室溫線膨脹系數為 0.1ppm/K），與硅、氮化鎵等芯片材料熱膨脹高度匹配。

由于 ZSM 添加量相較于彌散構型減少約 50%，且各層之間的鋁基體相互連通，其熱導率高達 130 W?m-1·K-1，媲美碳化硅增強鋁基復合材料。

隨著 ZSM 含量逐漸降低，材料層內韌性逐漸增強，當從 2024 鋁層加載時，其撓曲強度和撓曲應變分別達到了 800 MPa 和 10%，相較于傳統彌散構型分別提高了 81% 和 730%，該梯度復合材料可同時適配于芯片和散熱器，在極端環境電子器件熱管理等領域具有廣闊的應用前景。

上述系列研究表明，仿生構型設計為突破零膨脹復合材料的性能瓶頸提供了有效范式，為研制面向極端服役環境的高性能零膨脹材料提供了全新思路，有望支撐精密光學與電子儀器向更高穩定性與綜合性能方向發展。

董布克、張雪凱、衛陳龍為論文的共同第一作者，童鵬、林建超、陳潔為論文通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金、合肥物質院院長基金、安徽省自然科學基金、中國科學院基礎研究青年科學家基金、廣東省基礎與應用基礎研究基金等項目的支持。