導(dǎo)論：隨著高度集成電路的不斷發(fā)展，伴隨著對能源效率和減輕重量的需求不斷增長，材料面臨著與導(dǎo)熱性和輕量化有關(guān)的日益嚴峻的挑戰(zhàn)。由于鎂合金的內(nèi)在機理眾多，其導(dǎo)熱系數(shù)與力學(xué)性能往往呈反比關(guān)系，成為制約鎂合金應(yīng)用的瓶頸。通過對提高鎂合金導(dǎo)熱系數(shù)的幾種有效改性方法的研究，闡述了改性方法對鎂合金力學(xué)性能的影響規(guī)律，明確了峰時效處理是同時提高鎂合金導(dǎo)熱系數(shù)和力學(xué)性能的最佳方法之一。作為最常用的鎂合金，鑄造合金表現(xiàn)出實現(xiàn)高導(dǎo)熱性的巨大潛力。此外，最近的報告表明，熱變形可以顯著改善合金的力學(xué)性能，同時保持并可能略微提高合金的導(dǎo)熱性。這為鎂合金在要求高強度的小體積散熱元件領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一條有意義的途徑。本文首先概述了標(biāo)準(zhǔn)測試和預(yù)測方法，然后介紹了用于預(yù)測導(dǎo)熱系數(shù)的理論模型，然后探討了影響導(dǎo)熱系數(shù)的主要影響因素。綜述了鎂合金的發(fā)展現(xiàn)狀，重點介紹了鎂合金在高導(dǎo)熱性和高強度兩方面的研究進展。最后，它提供了對該領(lǐng)域未來前景和挑戰(zhàn)的見解。

Mg作為最輕的結(jié)構(gòu)金屬材料，具有比強度高、密度低的優(yōu)點。鎂合金具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性(TC)，具有開發(fā)輕質(zhì)散熱元件的潛力，因此，鎂合金的研究在世界范圍內(nèi)得到廣泛開展。市場反饋表明，TC值為120 W·K?1·m?1通常被認為是3C(計算機、通信和消費產(chǎn)品)應(yīng)用的閾值。若要用作發(fā)光二極管輻射模塊等領(lǐng)域的熱元件，則更需要達到130 W·K 1·m 1。此外，當(dāng)考慮到降低成本、提高能源效率和減輕重量的迫切需要時，很明顯，很少有金屬能滿足這些苛刻的標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。值得注意的是，Mg及其合金具有密度低、比強度高、導(dǎo)熱系數(shù)高的優(yōu)點，室溫下純Mg合金的導(dǎo)熱系數(shù)可達158 W·K?1·m?1。因此，近年來鎂合金的導(dǎo)熱性受到了越來越多的關(guān)注，根據(jù)Web of Science Core Collection中以“鎂合金”和“導(dǎo)熱性”為關(guān)鍵詞檢索到的近年來的出版物數(shù)量，如圖1(a)所示。

表1。各種純金屬的熱導(dǎo)率(TC)和密度。

圖1所示。(a)“鎂合金”和“導(dǎo)熱系數(shù)”關(guān)鍵詞檢索到的論文數(shù)量，(b)關(guān)鍵詞統(tǒng)計的網(wǎng)絡(luò)可視化圖。

不幸的是，大量的研究已經(jīng)揭示了鎂合金的強度和TC之間的內(nèi)在權(quán)衡。這種權(quán)衡源于這樣一個事實，即幾乎所有主要的強化機制(例如，細晶強化、固溶強化和位錯強化)都傾向于導(dǎo)致TC的降低，這與固溶體原子、位錯和晶界作為晶格缺陷的電子散射有關(guān)。此外，織構(gòu)強化引入了各向異性。因此，尋找一種既具有高強度又具有高TC的鎂合金仍然是一個挑戰(zhàn)。Mg-1.0Zn-0.9Cu合金表現(xiàn)出148 W·K?1·m?1的超高TC。但其抗拉屈服強度(TYS)、極限抗拉強度(UTS)和斷裂伸長率(EL)分別僅為55 MPa、176 MPa和13.9%，僅略優(yōu)于純Mg。而峰時效Mg-2.0Gd-2.0Nd-2.0Y-1.0Ho-1.0Er-0.5Zn-0.4Zr合金，雖然表現(xiàn)出較高的力學(xué)性能(TYS: 215 MPa, UTS: 306 MPa, EL: 5.7%)，但其相對較低的TC為53 W·K?1·m?1。

高TC允許溫度均勻分布和減少熱應(yīng)力，從而延長導(dǎo)熱材料的使用壽命。此外，增強的機械性能使這些材料適合生產(chǎn)具有更嚴格強度要求的散熱部件。因此，該領(lǐng)域的研究人員一直致力于開發(fā)既具有高TC又具有優(yōu)異機械性能的鎂合金。如圖1(b)所示，鎂合金熱變形的最新研究趨勢主要集中在“相組成”、“溶質(zhì)原子”、“熱處理”、“擠壓”、“力學(xué)性能”等相關(guān)領(lǐng)域。然而，近年來“抗拉強度”、“力學(xué)性能”等關(guān)鍵詞呈現(xiàn)上升趨勢，這表明研究人員越來越多地將重點轉(zhuǎn)向開發(fā)“高強度”與“高導(dǎo)熱性”相結(jié)合的高性能鎂合金，如圖1(b)所示。本文介紹了鎂合金的幾種常用改性方法，包括熱處理、熱變形和合金化法。探討了這些方法對復(fù)合材料性能的內(nèi)在影響以及對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。此外，它突出了應(yīng)用模擬預(yù)測工具在追求高性能鎂合金方面的巨大研究潛力。最終目標(biāo)是為高性能鎂合金的發(fā)展鋪平道路。

重慶大學(xué)譚軍教授等人在這篇綜述中，首先概述了常用的測試和預(yù)測方法，然后是用于預(yù)測導(dǎo)熱系數(shù)的理論模型。然后討論了影響導(dǎo)熱系數(shù)的主要因素，包括合金化(溶質(zhì)原子、第二相、價態(tài))和變形(織構(gòu)、晶粒尺寸、位錯密度)的影響，以及服務(wù)溫度和熱處理(固溶處理、時效處理、退火處理)等考慮因素。總結(jié)了鎂合金的發(fā)展現(xiàn)狀，強調(diào)追求高導(dǎo)熱性和高強度相結(jié)合的合金。內(nèi)容總結(jié)了對該領(lǐng)域未來前景和挑戰(zhàn)的見解。

相關(guān)研究成果以“Recent advancements in thermal conductivity of magnesium alloys”發(fā)表在 Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956724000811?via%3Dihub 

表2。不同純金屬的比熱容。

表3。理想Mg晶體和某些Mg合金的晶格常數(shù)及其TC(*表示從相應(yīng)文獻中的圖像獲得的數(shù)據(jù))。

圖2所示。(a, b) MgZn2和(b, d) Mg4Zn7的電子導(dǎo)熱系數(shù)和(c, d)聲子導(dǎo)熱系數(shù)。

圖3所示。(a)固體傳熱示意圖[76]，(b)晶格中Zn原子在傳熱過程中對電子和聲子的散射。

圖4所示。研究了6種二元鎂合金在鑄態(tài)和固態(tài)以及(a-f) Mg- al、Mg- zr、Mg- mn、Mg- ca、Mg- zn和Mg- sn合金的導(dǎo)熱系數(shù)和電導(dǎo)率。

圖5所示。(a) Mg-La相圖，(b)不同擠壓溫度下Mg-La- zn - zr合金的TC和熱擴散系數(shù)。

圖6所示。(a-c)組織，(d)織構(gòu)，(e)擠壓態(tài)Mg-5.0Zn-1.1Mn合金的力學(xué)性能和導(dǎo)熱系數(shù)。

圖7所示。(a)晶粒尺寸對純Mg室溫和低溫導(dǎo)熱系數(shù)的影響，以及(b-f)相應(yīng)的顯微組織。

圖8所示。熱導(dǎo)率受(a) Burgers矢量和(b)位錯類型的影響。

圖9所示。擠壓參數(shù)對Mg-5.6Zn-1.8Yb-0.3Zr合金組織的影響

表4。變形參數(shù)對鎂合金室溫導(dǎo)熱系數(shù)的影響(*表示從相應(yīng)文獻中的圖像獲得的數(shù)據(jù))。

圖10所示。(a)室溫~ 300℃范圍內(nèi)Mg-3.2Al-4.4La-0.4Nd和AE44合金的熱擴散系數(shù)，(b)比熱和(c)導(dǎo)熱系數(shù)。

圖11所示。(a) Mg- al， (b) Mg- zn， (c) Mg- mn合金在0-300 K溫度范圍內(nèi)的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化。

圖12所示。498k時效(a) 4h， (b) 24h， (c) 300h的Mg-12.0Gd合金基體與相界面;(d)單元胞體積與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系。

圖13所示。三種Mg-Zn-La合金在200°C時效(a-c) 3或5 h， (e-g) 20 h的HAADF圖像，以及(d)基體和(h)第二相Zn原子濃度。

圖14所示。近年來高性能(a)鑄造鎂合金和(b)變形鎂合金的發(fā)展現(xiàn)狀:藍點為無re鎂合金，黃點為添加re鎂合金。

在鎂合金發(fā)展的新形勢下，研究人員已經(jīng)從單純追求高導(dǎo)熱系數(shù)(TC)轉(zhuǎn)向追求既能提高機械強度又能提高TC的高性能鎂合金，這使得研究人員在合金元素類型和添加量的選擇以及熱處理工藝參數(shù)的制定上更加謹慎。這種轉(zhuǎn)變使鎂合金能夠滿足各種應(yīng)用領(lǐng)域?qū)υ鰪姀姸炔粩嘣鲩L的需求。然而，強度和TC之間的內(nèi)在權(quán)衡對開發(fā)這種高性能合金提出了重大挑戰(zhàn)。這導(dǎo)致了高強度、高導(dǎo)熱鎂合金發(fā)展的瓶頸。近年來，研究人員通過優(yōu)化合金元素的種類和用量、探索更合適的熱處理工藝參數(shù)和熱擠壓方法，不斷嘗試制備導(dǎo)熱性能更好、力學(xué)性能更平衡的新型鎂合金。在目前的研究中，鑄造鎂合金的性能主要集中在120 W·K?1·m?1和220 MPa，而擠壓鎂合金在130 W·K?1·m?1和330 MPa左右的性能已經(jīng)值得關(guān)注。

本文對合金體系的優(yōu)化、熱處理和熱變形進行了綜述。本文綜述了高性能鎂合金的最新研究進展，旨在為其今后的發(fā)展提供有價值的指導(dǎo)。建議提出以下意見:

(1)在選擇合金元素和尋求最佳添加量時，宜選擇原子半徑和價態(tài)與Mg相近、在所需的試驗溫度下在Mg基體中的固溶度較低的元素。當(dāng)合并多種元素時，它們的原子比例應(yīng)該理想地與預(yù)期相的形成一致。

(2)固溶處理總體上降低TC，時效處理總體上提高TC，但也有個別例外。隨著時效時間的延長，TC逐漸增大。然而，在優(yōu)化TC和保持所需的機械性能之間取得平衡是至關(guān)重要的，因為僅僅延長老化時間可能是不夠的。

(3)熱變形在一定程度上提高了合金的TC，但由于變形引起的織構(gòu)引入了各向異性。然而，顯著改善的機械性能使其有足夠的潛力制造小型、高強度、散熱的鎂合金部件。

(4)高溫合金的研究主要集中在室溫，對高溫高溫合金和高溫力學(xué)性能的研究存在較大空白，值得深入研究。

(5)目前對導(dǎo)熱鎂合金的研究主要集中在鑄態(tài)合金上，通過復(fù)合材料、增材制造和SPD方法(如等通道角擠壓)探索導(dǎo)熱性能與力學(xué)性能平衡較好的導(dǎo)熱鎂合金還存在明顯的空白。

(6)在高性能鎂合金領(lǐng)域，普遍采用的方法是通過實驗收集數(shù)據(jù)，然后推導(dǎo)出潛在的模式。遺憾的是，理論預(yù)測工具，如第一性原理分析和分子動力學(xué)模擬，可以為實驗提供有價值的指導(dǎo)，在這一領(lǐng)域明顯缺乏。