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近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院曾小勤教授團(tuán)隊(duì)在高導(dǎo)熱鎂合金設(shè)計(jì)方面取得重要進(jìn)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(xué)術(shù)期刊“Acta Materialia”上。

01 研究背景 / BACKGROUND

兼具高強(qiáng)韌、高導(dǎo)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(dǎo)熱合金的核心設(shè)計(jì)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(fù)面作用，即基體強(qiáng)度偏低。

02 研究內(nèi)容 / CONTENTS

針對(duì)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(dǎo)率的物理模型（鎂的電子熱導(dǎo)率大約占熱導(dǎo)率的97%），發(fā)現(xiàn)電子熱導(dǎo)率與自由電子密度的2/3次方和費(fèi)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(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)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(dǎo)熱鎂合金設(shè)計(jì)思路：即向基體中摻入異種溶質(zhì)原子，實(shí)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(shí)現(xiàn)熱導(dǎo)率和基體強(qiáng)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(duì)該模型進(jìn)行驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了鎂基體熱導(dǎo)率的提升。該方法既能保證固溶體維持高熱導(dǎo)率，又能解決固溶體導(dǎo)熱和強(qiáng)度的矛盾問題，實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱和高強(qiáng)度的兼得，為高導(dǎo)熱鎂合金設(shè)計(jì)理論提供了新的思路。此外，本團(tuán)隊(duì)聯(lián)合北京科技大學(xué)采用了一種基于時(shí)域熱反射法（TDTR）的微區(qū)熱導(dǎo)率測(cè)量新技術(shù)，完美地解決了固溶體熱導(dǎo)率精確測(cè)量問題，也是本研究的亮點(diǎn)之一。

圖1 MgSm和MgSmAl固溶體熱導(dǎo)率對(duì)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(duì)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(jì)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(xué)孫方遠(yuǎn)副教授為共同通訊作者，上海交通大學(xué)為第一單位。該研究得到了國家自然科學(xué)基金(No. 52271009, 52301059）的支持。論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120708。