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近日，上海交通大學材料科學與工程學院曾小勤教授團隊在高導熱鎂合金設(shè)計方面取得重要進展，相關(guān)成果以“Anomalous increase in thermal conductivity of Mg solid solutions by co-doping with two solute elements”為題發(fā)表于國際金屬材料著名學術(shù)期刊“Acta Materialia”上。

01 研究背景 / BACKGROUND

兼具高強韌、高導熱等性能的結(jié)構(gòu)功能一體化鎂合金在通訊、新能源汽車等領(lǐng)域輕量化熱管理關(guān)鍵構(gòu)件的應(yīng)用需求迫切。一直以來，高導熱合金的核心設(shè)計思路主要聚焦于避免合金元素以固溶原子形態(tài)存在基體中，然而，這直接帶來了不可忽視的負面作用，即基體強度偏低。

02 研究內(nèi)容 / CONTENTS

針對這一問題，本研究基于量子自由電子理論，建立了用于描述電子熱導率的物理模型（鎂的電子熱導率大約占熱導率的97%），發(fā)現(xiàn)電子熱導率與自由電子密度的2/3次方和費米面附近自由電子平均自由程的1次方成正比。該模型表明，摻入多種固溶元素可以調(diào)控自由電子平均自由程，是實現(xiàn)熱導率提升的有效方法之一。在此基礎(chǔ)上，提出了一種新的高導熱鎂合金設(shè)計思路：即向基體中摻入異種溶質(zhì)原子，實現(xiàn)共固溶，要求一種原子尺寸比Mg大、一種原子尺寸比Mg小，并形成偏聚，以此來調(diào)控單一原子固溶造成的晶格畸變和原子間鍵合狀況，從而改變自由電子平均自由程和自由電子密度，實現(xiàn)熱導率和基體強度的雙提升。選擇原子尺寸大于Mg的Sm原子和原子尺寸小于Mg的Al原子作為異種固溶元素對該模型進行驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Sm和Al原子在基體內(nèi)形成多組元固溶交互作用，減弱了單一固溶原子引起的晶格畸變，提高了鎂基體內(nèi)自由電子平均自由程，實現(xiàn)了鎂基體熱導率的提升。該方法既能保證固溶體維持高熱導率，又能解決固溶體導熱和強度的矛盾問題，實現(xiàn)高導熱和高強度的兼得，為高導熱鎂合金設(shè)計理論提供了新的思路。此外，本團隊聯(lián)合北京科技大學采用了一種基于時域熱反射法（TDTR）的微區(qū)熱導率測量新技術(shù)，完美地解決了固溶體熱導率精確測量問題，也是本研究的亮點之一。

圖1 MgSm和MgSmAl固溶體熱導率對比

圖2 Mg98.44Sm0.78Al0.78固溶體中沿[11-20]方向觀察到的Al-Sm偏聚。(a) 原子分辨率HAADF-STEM圖像。(b) 對應(yīng) (a) 中白色方框區(qū)域的FFT圖樣。(c) Al和Sm、(d) Al和 (e) Sm的EDS面掃結(jié)果

圖3 300 K下純Mg、Mg99.22Sm0.78和Mg98.44Sm0.78Al0.78固溶體的自由電子平均自由程計算結(jié)果

圖4 本研究的圖形摘要

博士生李子昕為第一作者，李德江研究員、胡波助理研究員、北京科技大學孫方遠副教授為共同通訊作者，上海交通大學為第一單位。該研究得到了國家自然科學基金(No. 52271009, 52301059）的支持。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120708。