在過去的時間裡，研究者們一直追求鎂合金在力學-導熱雙重性能的應用，並且已經做出了很大努力來改善不同鎂合金的導熱性和力學性能，並且清楚地掌握了微米級、納米級甚至分子尺度上的基本傳熱過程。近日，北京工業大學杜文博教授團隊發表了鎂合金的導熱性綜述文章。相關論文以題為「 A review on thermal conductivity of magnesium and itsalloys 」近日發表在Journal of Magnesium and Alloys。
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https://doi.org/10.1016/j.jma.2019.08.002
這篇研究高度總結了近幾年的研究工作，重點介紹了溶質原子，熱處理，變形和溫度等因素對鎂合金的導熱性的影響，希望對正在開發具有優異導熱性的鎂合金的研究人員有所幫助。
Mg-Zn和Mg-Mn系列合金的電導率通常高於Mg-Al和Mg-RE系列合金的電導率。在鎂合金的功能應用中，熱導率和機械性能之間的平衡仍然是長期的挑戰。應當更多地關注合金設計和優化製造工藝，以開發具有優異熱性能和機械性能的鎂合金。→綜述：鎂合金的導熱係數研究最新進展！
圖1. 鎂合金的導熱係數與極限抗拉強度的關係
鎂合金的導熱係數與其組成密切相關。α-Mg基體中表現為非均質原子的合金元素普遍降低了鎂合金的導熱係數。鎂合金的導熱係數與其組成密切相關。遺憾的是，α-Mg基體中表現為非均質原子的合金元素普遍降低了鎂合金的導熱係數。圖中顯示了幾個溶質原子惡化α-Mg基體熱導率的順序。添加溶質原子會引起α-Mg基體的晶格畸變，改變晶格參數並通過取代Mg原子縮短電子和聲子的平均自由程，從而對導熱性能產生不利的影響。晶格畸變的發生主要是由於兩個原因。一方面，由於溶質原子與鎂原子之間半徑的差異，認為溶質原子是引起晶格畸變的主要原因。另一方面，溶質原子和鎂原子的化學價態可以改變。溶解度越高的溶質原子引起的晶格畸變越嚴重。
圖2. 溶質原子對α-Mg基體熱導率的影響
在時效處理過程中α-Mg基體中會析出大量溶質原子，形成的第二相會削弱晶格畸變從而提高導熱性能。時效處理同時也增大了平均晶粒尺寸和減少了原始的晶界缺陷，這也是有利於提高導熱係數。而且熱導率可通過老化時間來提高熱導率。
圖3不同鎂合金的熱性能。(a) 熱擴散率；(b)比容量；(c)導熱係數；(d)導熱係數與α-Mg相的單晶體的變化
大量研究認為析出相與α-Mg基體之間的界面對基體原子在析出相周圍的排列有重要影響。在時效處理過程中，析出物與基體之間的界面從時效下的共格界面或峰值時效時的半共格界面轉變為過時效時的非共格界面。主要原因是由於析出相原子佔據α-Mg晶格節點而引起的應力場較大，共格界面引起嚴重的晶格畸變。這種晶格畸變嚴重限制了電子和聲子的自由運動和導電，導致鎂合金的電導率或熱導率下降。相反，沉澱與α-Mg基體之間的非共格界面產生了相對較小的晶格畸變。另外，雖然第二相的形成會產生新的表面缺陷不利於導熱，但鎂合金的導熱係數對溶質原子比第二相更為敏感。因此，時效處理是提高鎂合金導熱係數的有效方法，它可以同時提高導熱係數和力學性能。這一結論也適用於其他合金，如鋁和鋅合金。
圖4.498K下的Mg-12Gd合金不同時效時間的TEM和亮場。(a，d)4 h；(b，e)24 h；(c，f)300 h；(g)共格界面；(h)非共格界面的原子模型
變形對熱導率的影響相對複雜，通常主要受各種因素的影響，如織構、晶粒尺寸和析出物等等。由於再結晶晶粒的擇優取向和鎂合金的六方密排(HCP)結構，鎂合金的熱導率表現出明顯的各向異性。袁等人報導了ZM51合金在橫向(TD)和法向(ND)方向的導熱係數優於擠壓方向(ED)的導熱係數。主要由於是電子和聲子在<112『0>方向和{0001}面上的平均自由程相對較短。但是動態析出和基體織構的弱化對導熱係數有積極的影響。另外還比較了鍾等人在鑄態和擠壓態具有不同錳含量的二元Mg-Mn合金在室溫下的導熱係數的研究，發現在Mn含量小於1.2wt.%的情況下，鑄態Mg-Mn合金表現出比擠壓態合金更高的導熱係數，這是因為擠壓後平均晶粒尺寸減小，並產生了典型的基體織構造成的主要原因。然而，當Mn含量超過1.2wt.%時，情況正好相反，因為在熱擠壓過程中納米顆粒從α-Mg基體中析出。此外，Panet等人研究稱，由於基體的織構弱化，大應變軋制可以提高鎂合金的導電率，因此，織構弱化是開發導熱性能優良的鎂合金的首選方法。
圖5.擠壓態ZM51合金EBSD的微觀結構(a)ED樣本；(b)TD樣本；(c)ND樣本
圖6. (a，b)擠壓態Mg-1.2Mn合金中細小顆粒的透射電鏡觀察；(c)不同Mn含量的鑄態和擠壓態Mg-Mn合金導熱係數的比較；Mg-0.1Mn合金的極圖(d)鑄態；(e)擠壓態
在較高溫度範圍內(>300K)純鎂及其合金的熱導率隨溫度的變化不同。由於聲子能量的增加，純Mg的導熱係數隨著溫度的升高而降低，導致電子-聲子和聲子-聲子散射增強。然而與純Mg相比，Mg-Zn二元合金的導熱係數隨溫度升高而增大。由於Zn元素的加入，雜質-電子彈性散射和雜質-聲子彈性散射是影響熱導率的主要因素。類似地，其他二元或三元鎂合金也存在這樣的現象。所以材料的導熱係數隨溫度的升高而降低。然而，低溫(0-300K)的導熱係數變化也不同。純Mg、Mg-0.5%Zn和Mg-1.5%Zn合金的熱導率在20-40K的極低溫度範圍內出現峰值，這是由於缺陷以及雜質-電子散射和雜質-聲子散射的最終競爭的結果。高能聲子對電子的散射隨著溫度的升高而增強，從而導致電子導熱係數急劇下降。在其他材料中也觀察到類似的現象，如鋁合金和鋼等。因此，確保鎂合金製成的產品（如電子產品）在產生熱量時表現出預期的性能就顯得尤為關鍵。
圖7鑄態純Mg和Mg-Zn合金的導熱係數與溫度的關係：(a)高溫；(b)低溫
綜述了近年來有關鎂合金導熱性能的相關研究進展，為今後開發具有工程應用價值的高導熱鎂合金提供了參考和借鑑。為此提出以下建議：
(1)為了開發出導熱性能優良的鎂合金，在降低晶格畸變和提高α-Mg基體純度方面應給予更多的關注。
(2)實現晶格缺陷和溶質原子的減少，有望提高鎂合金的熱導率。
(3)儘管Mg-RE系合金可以獲得高強度，但由於RE和Mg原子的化學價、半徑和核外電子的差異等眾所周知的困難，開發具有高導熱係數的Mg-RE合金仍然是一個極大挑戰。
(4)建立溶質原子、析出物、晶粒大小和織構對鎂合金導熱係數影響模型還有很多工作要做。（文：馮馮）
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