导热镁合金的发展和研究现状

杨嘉傲，房宇轩，杨景超，张晓茹，崔晓飞，柴跃生，刘宝胜

（1.太原科技大学 材料科学与工程学院，太原 山西 030024；2.兰州理工大学技术工程学院 机电工程学院，兰州 甘肃 730050）

镁及镁合金是迄今在工程应用中最轻的金属结构材料，具有高的比强度、比刚度，尺寸稳定性高，阻尼减震性能好，机械加工方便，易于回收利用等优势，被誉为“21 世纪绿色工程金属结构材料”。近年来，随着对镁合金研究的逐步深入，除了力学性能以外，镁及镁合金优良的物理性能也逐渐引起了人们的关注。由于镁合金的轻质和良好的散热性能，被认为是制作发光二极管（LED）散热器、汽车发动机外壳、笔记本外壳、手机中框等散热相关领域的“潜力股”，以保证和提高产品的寿命及工作稳定性。

华为公司对结构件材料的导热性能需求提出铸造和压铸镁合金的热导率需分别大于100 W/（m·K）和120 W/（m·K）[1].纯镁的热导率为158 W/（m·K），在常见的商用金属结构材料中仅次于铜和铝，比热导率与铝相当，然而纯镁较差的力学性能限制了镁结构件的广泛使用[2]。人们往往通过加入适当的合金化元素来提升其力学性能，但是合金元素的添加往往会引入更多的传热障碍，造成镁合金的导热性能明显降低，严重阻碍了镁合金在导热需求结构件上的应用。

因此研究具有优异力学性能兼顾导热性能的镁合金对于开发轻质高性能导热镁合金结构部件非常重要。本文主要阐述了近几年导热镁合金的研究进展情况，总结了影响镁合金导热性能的各项因素以及几种计算热导率的数学模型。

1 常见镁合金的导热性能

目前国内外关于镁合金导热性能方面的研究工作才刚起步，当前开发的商业化AZ91，AM60 和Mg-Zn-RE 合金，虽然其力学性能较为优异，但他们的热导率较差[3]。近几年，研究者大多关注二元Mg-X 合金（如Mg-Al，Mg-Zn，Mg-Sn 和Mg-RE 合金），为研究导热镁合金提供了相关的实验数据与理论依据。

1.1 Mg-Al 系镁合金

1.2 Mg-Zn 系镁合金

潘虎成等人研究了铸造Mg-Zn 系二元合金，Zn 质量分数从2%增至11%时，合金的热导率将至105 W/（m·K）[5].对于常用的铸造ZK60 合金中，Zn质量分数为6%时，合金的热导率约为115 W/（m·K），可以满足导热性能的需求。钟丽萍等人报道了ZM60 挤压合金的热导率为100.2 W/（m·K）[6].李炳程等人研究了轧制Mg-2Zn-Zr 合金的力学性能及导热性能，结果表明该合金可兼顾导热性能及力学性能，合金的抗拉强度为279 MPa，屈服强度为196 MPa，伸长率为25.2%，同时热导率为132.1 W/（m·K）[7].据此可知，Mg-Zn 系无论是铸造还是变形均具有制作高导热结构件的潜力。

1.3 Mg-Sn 系镁合金

潘虎成等人在考查Mg-Al 和Mg-Zn 系二元铸造合金的同时，也考查了Mg-Sn 系合金的导热性能，结果表明合金中Sn 质量分数从3%增至14%时，热导率从100 W/（m·K）降至50 W/（m·K）[5].王春明等人[8，9]对铸造Mg-5Sn 合金固溶后进行不同温度的时效处理，结果表明合金在240 ℃下时效120 h后热导率从87.5 W/（m·K）增至122 W/（m·K）.Qiuyan Huang 等人[10]研究了变形Mg-2Sn 合金的导热性能，挤压Mg-2Sn 合金的热导率为107.7 W/（m·K），轧制后合金热导率为105.4 W/（m·K），而经过长期时效处理工艺后，合金的热导率均可达到120 W/（m·K）以上。由此可以发现，Mg-Sn 系合金需经过时效处理后才可获得较高的导热性能。

1.4 Mg-RE 系镁合金

钟丽萍[11]系统报道了Mg-Ce，Mg-Nd，Mg-Y 和Mg-Gd 二元合金不同稀土添加量对镁合金热导率的影响。随着元素含量的增加，热导率逐渐下降。其测得的不同稀土元素在铸态及固溶态下的热导率总结如图1 所示。同时他们也研究了Mg-12Gd 合金时效处理后，合金的热导率为75.7 W/（m·K），较固溶态下高出2.17 倍[12]。我们可以发现轻稀土由于在镁中固溶度较小，所以更有益于热导率的提升，不过关于变形后Mg-RE 合金热导率的报道非常少。

图1 几种Mg-RE 铸造合金的热导率[11]

2 镁合金导热性能的影响因素

合金材料的导热是通过合金中电子和声子的热运动而发生的，若合金内部结构十分规则，则电子和声子的运动较为畅通，合金便具有较好的导热性。一般来讲，合金中的界面（晶界或相界），第二相，溶质原子，位错或孪晶均会阻碍电子和声子的热运动并在其周围发生热散射，减小电子和声子运动的平均自由程，从而降低了导热效果。因此镁合金导热性能的优劣取决于引入的变量是否会阻碍导热电子和声子的运动。本节将从以下这几方面进行阐述。

2.1 合金化元素对镁合金导热性能的影响

合金元素对镁合金热导率的影响主要取决于合金元素在镁中的存在形式[3]。当合金化元素以溶质原子存在于镁晶格中，会造成晶体中的晶格畸变，电子和声子的热运动阻碍越大，热导率较低。溶质原子对热导率的影响程度与溶质原子的半径及其与镁之间的电子结合力度有关。潘虎成等人设计了六组二元镁合金体系，研究比较了各合金化元素对镁热导率的影响，发现合金元素对纯镁热导率的影响大小顺序为：Zn＜Al＜Ca＜Sn＜Mn＜Zr[5].钟丽萍等人设计了四组二元镁-稀土合金，稀土选用常用的四种稀土元素Ce，Nd，Y 和Gd，研究比较了不同固溶度的稀土元素对镁热导率的影响，大小顺序为：Ce＜Nd＜Y＜Gd，与此同时深入阐述了各元素影响镁热导率的因素有：化合价，亚电子层稳定程度，固溶度及原子半径[11]。Touloukian Y S[13]比较了不同合金化元素及其含量对热导率的影响，如图2 所示。

当合金化元素在镁合金中以共晶相的形式存在时，由于金属间化合物的形成会消耗基体中的溶质原子，进而可以提升镁合金的热导率。例如在Mg-Zn 合金中加入微量的Ce 会形成Mg-Zn-Ce相，一方面由于该相本身的热传导性能较高，另一方面由于合金化元素的加入降低了固溶Zn 原子的数量，减弱了晶格畸变，进而提升了合金的热导率[14]。Xiong Zhou 等报导了Ca 加入Mg-4Si 合金中，在细化Mg2Si 相的同时，Ca 也可以与Mg 和Si 结合形成CaMgSi 相，消耗了固溶原子的数量，提升了合金热导率[15]。

2.2 热处理对镁合金导热性能的影响

固溶处理与时效处理是常见的镁合金热处理工艺，通过适当的热处理工艺可以有效调控合金中固溶原子的数量、析出相的形态、数量和大小，这些因素通过阻碍位错的运动，进而改善镁合金的力学性能，同时热导率也会受到相应的影响。

大多数研究者认为经过固溶处理，大多数合金元素固溶到基体中，晶格畸变程度增加，对传热电子起到散射的作用变强，导致合金的导热率下降，通过时效处理形成弥散析出相，减少了固溶原子的数量，提高了热导率。Yamasaki 等人[16]研究表明Mg-Zn-Gd 经T4 固溶处理后，合金导热性能明显低于铸态合金，他们认为固溶处理后a-Mg 基体溶质元素含量较高，是导致其热导率低于铸态的主要原因。经高温时效处理（T6）后，长周期有序堆积相（LPSO）的形成消耗了α-Mg 基体中的溶质元素，提合金的热导率。另外，不同析出相对热导率的影响规律与镁基体之间的界面共格关系密切相关。一般完全共格析出的第二相造成的晶格点阵畸变程度较大，热导率要低于非共格析出的第二相[8，12]。

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2.3 变形加工对镁合金导热性能的影响

一般来讲，经过变形加工后的镁合金，往往由破碎的初始晶粒及再结晶晶粒组成，动态再结晶使得合金晶粒细化，引起合金的晶界增多，位错密度増大，降低了材料的导热率，但变形析出第二相反而又提升了材料的导热率。同时再结晶程度往往会影响到合金织构的强弱，也就是晶粒的取向集中程度。平行于原子密排面的方向，由于传热电子在平面上受到的阻碍较多，造成热导率下降。钟丽萍[6]通过改变预压缩应变的大小来调整ZM60 合金晶粒的取向，发现适当的压缩变形可以改善ZM60 合金的热导率，这主要与c 轴平行于挤压方向的晶粒多少相关，当c 轴平行于挤压方向时，可以增加声子和电子的平均自由程，进而提高合金的热导率。彭建等人[1]研究了挤压温度对Mg-2Zn-1Mn-0.2Ce 合金热导率的影响，经340 ℃，370 ℃，400 ℃，和430 ℃挤压变形后，合金的热导率分别为124 W/（m·K），129 W/（m·K），131 W/（m·K）和125 W/（m·K）发现合金热导率的变化主要取决于未再结晶晶粒的体积分数、再结晶晶粒的大小以及溶质原子Mn 的含量。由此可知挤压温度的高低及变形量的大小均会对合金热导率产生影响，主要取决于变形后的晶界数量，析出相以及基面织构的强弱。

图2 合金元素对镁合金室温热导率的影响[13]

2.4 温度对镁合金导热性能的影响

镁合金热导率随温度升高而呈现指数级增大，但温度增加至一定程度时，热导率的增加趋势逐渐降低。热导率随温度升高而增加的原因是由于在热量的驱动下，合金中固溶原子会以析出相的形式存在，降低了晶格畸变程度，同时温度的增加使得晶格膨胀，电子和声子的运动速度也会加快，单位时间内平均自由程增加，有益于电子和声子对热量的传输，热导率增加。热导率也并非随温度升高持续呈指数增加，当温度增加至一定程度后，又会伴随有析出相的溶解，同时电子和声子的运动受到阻碍，由此导致热导率转而会呈现下降趋势。袁家伟等[17]对铸造及热处理条件下的Mg-xZn-1Mn（x=3，5，8）合金在20 ℃～300 ℃的热导率进行了测试，热导率增至200 ℃后趋势逐渐减缓。A.Rudajevova[18]研究了Mg-Al 系镁合金在20 ℃～300 ℃的热导率，随温度升高，热导率增加，但是在160 ℃～175 ℃由于Mg17Al12相的溶解，合金的热导率随温度升高趋势逐渐减缓，不再线性增加。

3 镁合金热导率的计算模型

研究学者在获得合金热导率的方法有多种，以下是比较常用的计算热导率的几种办法。

1）傅里叶（Fourier）导热定律：对于各向同性的物质，当x 轴方向存在温度梯度dT/dx，且各点温度不随时间变化时，在△t 时间内沿x 轴方向穿过横截面积A 的热量△Q 可表示为[19]：

式中，λ 为热导率，其物理意义为：单位温度梯度下，单位时间内通过横截面的热量；T 为热力学温度；dT/dx为温度梯度，负号表示传热方向与温度梯度方向相反。

2）Widemanns 和Franz 依据合金导热和导电都是以自由电子为主要载体，推导出电导率和热导率呈正相关关系，推导出经典的Widemann-Franz 定律[5，20]：

式中，σ 为合金的电导率；λe为合金的电子热导率；L 为Lorentz 常熟，L=2.45×10-8W·Ω·K-2；T为热力学温度。

3）根据Neuman-Kopp 定律可以获得合金的比热容，进而通过以下公式计算热导率[6，8，11，21]

其中α 为热扩散系数，ρ 为合金密度，Cp 为常压下的比热容。

通过上述相关物理参量的测试结果，均可以推导得出合金的热导率。根据近几年的研究工作报道，可以发现通过比热容来计算热导率最为普遍。

4 总结与展望

综上所述，二元镁合金导热性能的基础研究工作已经取得一定的进展，研究结果可知合金元素的种类和含量、热处理工艺、服役温度以及变形工艺均会对晶格畸变及相界面的数量产生直接或间接的影响，进而影响镁合金的导热性能。在已有报道的基础上，我们在设计高导热镁合金时需协调各个影响因素间的关系，进而平衡力学性能与导热性能的综合作用，达到适合导热镁合金结构件的应用需求。目前轻量化且兼备导热性能的镁合金应用工作仍有待开发，因此我们认为开展高导热高性能镁合金的工作迫在眉睫，这对于充分发挥镁合金功能性，拓展镁合金应用领域以及合理高效利用资源具有重大而深远的意义。