導(dǎo)熱鎂合金的發(fā)展和研究現(xiàn)狀

楊嘉傲，房宇軒，楊景超，張曉茹，崔曉飛，柴躍生，劉寶勝

（1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 山西 030024；2.蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，蘭州 甘肅 730050）

鎂及鎂合金是迄今在工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有高的比強(qiáng)度、比剛度，尺寸穩(wěn)定性高，阻尼減震性能好，機(jī)械加工方便，易于回收利用等優(yōu)勢，被譽(yù)為“21 世紀(jì)綠色工程金屬結(jié)構(gòu)材料”。近年來，隨著對鎂合金研究的逐步深入，除了力學(xué)性能以外，鎂及鎂合金優(yōu)良的物理性能也逐漸引起了人們的關(guān)注。由于鎂合金的輕質(zhì)和良好的散熱性能，被認(rèn)為是制作發(fā)光二極管（LED）散熱器、汽車發(fā)動機(jī)外殼、筆記本外殼、手機(jī)中框等散熱相關(guān)領(lǐng)域的“潛力股”，以保證和提高產(chǎn)品的壽命及工作穩(wěn)定性。

華為公司對結(jié)構(gòu)件材料的導(dǎo)熱性能需求提出鑄造和壓鑄鎂合金的熱導(dǎo)率需分別大于100 W/（m·K）和120 W/（m·K）[1].純鎂的熱導(dǎo)率為158 W/（m·K），在常見的商用金屬結(jié)構(gòu)材料中僅次于銅和鋁，比熱導(dǎo)率與鋁相當(dāng)，然而純鎂較差的力學(xué)性能限制了鎂結(jié)構(gòu)件的廣泛使用[2]。人們往往通過加入適當(dāng)?shù)暮辖鸹貋硖嵘淞W(xué)性能，但是合金元素的添加往往會引入更多的傳熱障礙，造成鎂合金的導(dǎo)熱性能明顯降低，嚴(yán)重阻礙了鎂合金在導(dǎo)熱需求結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用。

因此研究具有優(yōu)異力學(xué)性能兼顧導(dǎo)熱性能的鎂合金對于開發(fā)輕質(zhì)高性能導(dǎo)熱鎂合金結(jié)構(gòu)部件非常重要。本文主要闡述了近幾年導(dǎo)熱鎂合金的研究進(jìn)展情況，總結(jié)了影響鎂合金導(dǎo)熱性能的各項(xiàng)因素以及幾種計算熱導(dǎo)率的數(shù)學(xué)模型。

1 常見鎂合金的導(dǎo)熱性能

目前國內(nèi)外關(guān)于鎂合金導(dǎo)熱性能方面的研究工作才剛起步，當(dāng)前開發(fā)的商業(yè)化AZ91，AM60 和Mg-Zn-RE 合金，雖然其力學(xué)性能較為優(yōu)異，但他們的熱導(dǎo)率較差[3]。近幾年，研究者大多關(guān)注二元Mg-X 合金（如Mg-Al，Mg-Zn，Mg-Sn 和Mg-RE 合金），為研究導(dǎo)熱鎂合金提供了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論依據(jù)。

1.1 Mg-Al 系鎂合金

1.2 Mg-Zn 系鎂合金

潘虎成等人研究了鑄造Mg-Zn 系二元合金，Zn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從2%增至11%時，合金的熱導(dǎo)率將至105 W/（m·K）[5].對于常用的鑄造ZK60 合金中，Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%時，合金的熱導(dǎo)率約為115 W/（m·K），可以滿足導(dǎo)熱性能的需求。鐘麗萍等人報道了ZM60 擠壓合金的熱導(dǎo)率為100.2 W/（m·K）[6].李炳程等人研究了軋制Mg-2Zn-Zr 合金的力學(xué)性能及導(dǎo)熱性能，結(jié)果表明該合金可兼顧導(dǎo)熱性能及力學(xué)性能，合金的抗拉強(qiáng)度為279 MPa，屈服強(qiáng)度為196 MPa，伸長率為25.2%，同時熱導(dǎo)率為132.1 W/（m·K）[7].據(jù)此可知，Mg-Zn 系無論是鑄造還是變形均具有制作高導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)件的潛力。

1.3 Mg-Sn 系鎂合金

潘虎成等人在考查Mg-Al 和Mg-Zn 系二元鑄造合金的同時，也考查了Mg-Sn 系合金的導(dǎo)熱性能，結(jié)果表明合金中Sn 質(zhì)量分?jǐn)?shù)從3%增至14%時，熱導(dǎo)率從100 W/（m·K）降至50 W/（m·K）[5].王春明等人[8，9]對鑄造Mg-5Sn 合金固溶后進(jìn)行不同溫度的時效處理，結(jié)果表明合金在240 ℃下時效120 h后熱導(dǎo)率從87.5 W/（m·K）增至122 W/（m·K）.Qiuyan Huang 等人[10]研究了變形Mg-2Sn 合金的導(dǎo)熱性能，擠壓Mg-2Sn 合金的熱導(dǎo)率為107.7 W/（m·K），軋制后合金熱導(dǎo)率為105.4 W/（m·K），而經(jīng)過長期時效處理工藝后，合金的熱導(dǎo)率均可達(dá)到120 W/（m·K）以上。由此可以發(fā)現(xiàn)，Mg-Sn 系合金需經(jīng)過時效處理后才可獲得較高的導(dǎo)熱性能。

1.4 Mg-RE 系鎂合金

鐘麗萍[11]系統(tǒng)報道了Mg-Ce，Mg-Nd，Mg-Y 和Mg-Gd 二元合金不同稀土添加量對鎂合金熱導(dǎo)率的影響。隨著元素含量的增加，熱導(dǎo)率逐漸下降。其測得的不同稀土元素在鑄態(tài)及固溶態(tài)下的熱導(dǎo)率總結(jié)如圖1 所示。同時他們也研究了Mg-12Gd 合金時效處理后，合金的熱導(dǎo)率為75.7 W/（m·K），較固溶態(tài)下高出2.17 倍[12]。我們可以發(fā)現(xiàn)輕稀土由于在鎂中固溶度較小，所以更有益于熱導(dǎo)率的提升，不過關(guān)于變形后Mg-RE 合金熱導(dǎo)率的報道非常少。

圖1 幾種Mg-RE 鑄造合金的熱導(dǎo)率[11]

2 鎂合金導(dǎo)熱性能的影響因素

合金材料的導(dǎo)熱是通過合金中電子和聲子的熱運(yùn)動而發(fā)生的，若合金內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分規(guī)則，則電子和聲子的運(yùn)動較為暢通，合金便具有較好的導(dǎo)熱性。一般來講，合金中的界面（晶界或相界），第二相，溶質(zhì)原子，位錯或?qū)\晶均會阻礙電子和聲子的熱運(yùn)動并在其周圍發(fā)生熱散射，減小電子和聲子運(yùn)動的平均自由程，從而降低了導(dǎo)熱效果。因此鎂合金導(dǎo)熱性能的優(yōu)劣取決于引入的變量是否會阻礙導(dǎo)熱電子和聲子的運(yùn)動。本節(jié)將從以下這幾方面進(jìn)行闡述。

2.1 合金化元素對鎂合金導(dǎo)熱性能的影響

合金元素對鎂合金熱導(dǎo)率的影響主要取決于合金元素在鎂中的存在形式[3]。當(dāng)合金化元素以溶質(zhì)原子存在于鎂晶格中，會造成晶體中的晶格畸變，電子和聲子的熱運(yùn)動阻礙越大，熱導(dǎo)率較低。溶質(zhì)原子對熱導(dǎo)率的影響程度與溶質(zhì)原子的半徑及其與鎂之間的電子結(jié)合力度有關(guān)。潘虎成等人設(shè)計了六組二元鎂合金體系，研究比較了各合金化元素對鎂熱導(dǎo)率的影響，發(fā)現(xiàn)合金元素對純鎂熱導(dǎo)率的影響大小順序?yàn)椋篫n＜Al＜Ca＜Sn＜Mn＜Zr[5].鐘麗萍等人設(shè)計了四組二元鎂-稀土合金，稀土選用常用的四種稀土元素Ce，Nd，Y 和Gd，研究比較了不同固溶度的稀土元素對鎂熱導(dǎo)率的影響，大小順序?yàn)椋篊e＜Nd＜Y＜Gd，與此同時深入闡述了各元素影響鎂熱導(dǎo)率的因素有：化合價，亞電子層穩(wěn)定程度，固溶度及原子半徑[11]。Touloukian Y S[13]比較了不同合金化元素及其含量對熱導(dǎo)率的影響，如圖2 所示。

當(dāng)合金化元素在鎂合金中以共晶相的形式存在時，由于金屬間化合物的形成會消耗基體中的溶質(zhì)原子，進(jìn)而可以提升鎂合金的熱導(dǎo)率。例如在Mg-Zn 合金中加入微量的Ce 會形成Mg-Zn-Ce相，一方面由于該相本身的熱傳導(dǎo)性能較高，另一方面由于合金化元素的加入降低了固溶Zn 原子的數(shù)量，減弱了晶格畸變，進(jìn)而提升了合金的熱導(dǎo)率[14]。Xiong Zhou 等報導(dǎo)了Ca 加入Mg-4Si 合金中，在細(xì)化Mg2Si 相的同時，Ca 也可以與Mg 和Si 結(jié)合形成CaMgSi 相，消耗了固溶原子的數(shù)量，提升了合金熱導(dǎo)率[15]。

2.2 熱處理對鎂合金導(dǎo)熱性能的影響

固溶處理與時效處理是常見的鎂合金熱處理工藝，通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚳梢杂行д{(diào)控合金中固溶原子的數(shù)量、析出相的形態(tài)、數(shù)量和大小，這些因素通過阻礙位錯的運(yùn)動，進(jìn)而改善鎂合金的力學(xué)性能，同時熱導(dǎo)率也會受到相應(yīng)的影響。

大多數(shù)研究者認(rèn)為經(jīng)過固溶處理，大多數(shù)合金元素固溶到基體中，晶格畸變程度增加，對傳熱電子起到散射的作用變強(qiáng)，導(dǎo)致合金的導(dǎo)熱率下降，通過時效處理形成彌散析出相，減少了固溶原子的數(shù)量，提高了熱導(dǎo)率。Yamasaki 等人[16]研究表明Mg-Zn-Gd 經(jīng)T4 固溶處理后，合金導(dǎo)熱性能明顯低于鑄態(tài)合金，他們認(rèn)為固溶處理后a-Mg 基體溶質(zhì)元素含量較高，是導(dǎo)致其熱導(dǎo)率低于鑄態(tài)的主要原因。經(jīng)高溫時效處理（T6）后，長周期有序堆積相（LPSO）的形成消耗了α-Mg 基體中的溶質(zhì)元素，提合金的熱導(dǎo)率。另外，不同析出相對熱導(dǎo)率的影響規(guī)律與鎂基體之間的界面共格關(guān)系密切相關(guān)。一般完全共格析出的第二相造成的晶格點(diǎn)陣畸變程度較大，熱導(dǎo)率要低于非共格析出的第二相[8，12]。

以加強(qiáng)智慧物流園區(qū)可持續(xù)化運(yùn)營為目的，結(jié)合智慧物流園區(qū)項(xiàng)目建設(shè)特點(diǎn)，運(yùn)營公司確定相應(yīng)的管理職能，明確各職能部門的責(zé)、權(quán)、利劃分，充分發(fā)揮各職能部門的作用，分工負(fù)責(zé)開展項(xiàng)目運(yùn)營過程中的行政管理、投融資管理、運(yùn)營管理、風(fēng)險控制、建設(shè)運(yùn)營等工作。

2.3 變形加工對鎂合金導(dǎo)熱性能的影響

一般來講，經(jīng)過變形加工后的鎂合金，往往由破碎的初始晶粒及再結(jié)晶晶粒組成，動態(tài)再結(jié)晶使得合金晶粒細(xì)化，引起合金的晶界增多，位錯密度増大，降低了材料的導(dǎo)熱率，但變形析出第二相反而又提升了材料的導(dǎo)熱率。同時再結(jié)晶程度往往會影響到合金織構(gòu)的強(qiáng)弱，也就是晶粒的取向集中程度。平行于原子密排面的方向，由于傳熱電子在平面上受到的阻礙較多，造成熱導(dǎo)率下降。鐘麗萍[6]通過改變預(yù)壓縮應(yīng)變的大小來調(diào)整ZM60 合金晶粒的取向，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膲嚎s變形可以改善ZM60 合金的熱導(dǎo)率，這主要與c 軸平行于擠壓方向的晶粒多少相關(guān)，當(dāng)c 軸平行于擠壓方向時，可以增加聲子和電子的平均自由程，進(jìn)而提高合金的熱導(dǎo)率。彭建等人[1]研究了擠壓溫度對Mg-2Zn-1Mn-0.2Ce 合金熱導(dǎo)率的影響，經(jīng)340 ℃，370 ℃，400 ℃，和430 ℃擠壓變形后，合金的熱導(dǎo)率分別為124 W/（m·K），129 W/（m·K），131 W/（m·K）和125 W/（m·K）發(fā)現(xiàn)合金熱導(dǎo)率的變化主要取決于未再結(jié)晶晶粒的體積分?jǐn)?shù)、再結(jié)晶晶粒的大小以及溶質(zhì)原子Mn 的含量。由此可知擠壓溫度的高低及變形量的大小均會對合金熱導(dǎo)率產(chǎn)生影響，主要取決于變形后的晶界數(shù)量，析出相以及基面織構(gòu)的強(qiáng)弱。

圖2 合金元素對鎂合金室溫?zé)釋?dǎo)率的影響[13]

2.4 溫度對鎂合金導(dǎo)熱性能的影響

鎂合金熱導(dǎo)率隨溫度升高而呈現(xiàn)指數(shù)級增大，但溫度增加至一定程度時，熱導(dǎo)率的增加趨勢逐漸降低。熱導(dǎo)率隨溫度升高而增加的原因是由于在熱量的驅(qū)動下，合金中固溶原子會以析出相的形式存在，降低了晶格畸變程度，同時溫度的增加使得晶格膨脹，電子和聲子的運(yùn)動速度也會加快，單位時間內(nèi)平均自由程增加，有益于電子和聲子對熱量的傳輸，熱導(dǎo)率增加。熱導(dǎo)率也并非隨溫度升高持續(xù)呈指數(shù)增加，當(dāng)溫度增加至一定程度后，又會伴隨有析出相的溶解，同時電子和聲子的運(yùn)動受到阻礙，由此導(dǎo)致熱導(dǎo)率轉(zhuǎn)而會呈現(xiàn)下降趨勢。袁家偉等[17]對鑄造及熱處理?xiàng)l件下的Mg-xZn-1Mn（x=3，5，8）合金在20 ℃～300 ℃的熱導(dǎo)率進(jìn)行了測試，熱導(dǎo)率增至200 ℃后趨勢逐漸減緩。A.Rudajevova[18]研究了Mg-Al 系鎂合金在20 ℃～300 ℃的熱導(dǎo)率，隨溫度升高，熱導(dǎo)率增加，但是在160 ℃～175 ℃由于Mg17Al12相的溶解，合金的熱導(dǎo)率隨溫度升高趨勢逐漸減緩，不再線性增加。

3 鎂合金熱導(dǎo)率的計算模型

研究學(xué)者在獲得合金熱導(dǎo)率的方法有多種，以下是比較常用的計算熱導(dǎo)率的幾種辦法。

1）傅里葉（Fourier）導(dǎo)熱定律：對于各向同性的物質(zhì)，當(dāng)x 軸方向存在溫度梯度dT/dx，且各點(diǎn)溫度不隨時間變化時，在△t 時間內(nèi)沿x 軸方向穿過橫截面積A 的熱量△Q 可表示為[19]：

式中，λ 為熱導(dǎo)率，其物理意義為：單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過橫截面的熱量；T 為熱力學(xué)溫度；dT/dx為溫度梯度，負(fù)號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反。

2）Widemanns 和Franz 依據(jù)合金導(dǎo)熱和導(dǎo)電都是以自由電子為主要載體，推導(dǎo)出電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系，推導(dǎo)出經(jīng)典的Widemann-Franz 定律[5，20]：

式中，σ 為合金的電導(dǎo)率；λe為合金的電子熱導(dǎo)率；L 為Lorentz 常熟，L=2.45×10-8W·Ω·K-2；T為熱力學(xué)溫度。

3）根據(jù)Neuman-Kopp 定律可以獲得合金的比熱容，進(jìn)而通過以下公式計算熱導(dǎo)率[6，8，11，21]

其中α 為熱擴(kuò)散系數(shù)，ρ 為合金密度，Cp 為常壓下的比熱容。

通過上述相關(guān)物理參量的測試結(jié)果，均可以推導(dǎo)得出合金的熱導(dǎo)率。根據(jù)近幾年的研究工作報道，可以發(fā)現(xiàn)通過比熱容來計算熱導(dǎo)率最為普遍。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，二元鎂合金導(dǎo)熱性能的基礎(chǔ)研究工作已經(jīng)取得一定的進(jìn)展，研究結(jié)果可知合金元素的種類和含量、熱處理工藝、服役溫度以及變形工藝均會對晶格畸變及相界面的數(shù)量產(chǎn)生直接或間接的影響，進(jìn)而影響鎂合金的導(dǎo)熱性能。在已有報道的基礎(chǔ)上，我們在設(shè)計高導(dǎo)熱鎂合金時需協(xié)調(diào)各個影響因素間的關(guān)系，進(jìn)而平衡力學(xué)性能與導(dǎo)熱性能的綜合作用，達(dá)到適合導(dǎo)熱鎂合金結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用需求。目前輕量化且兼?zhèn)鋵?dǎo)熱性能的鎂合金應(yīng)用工作仍有待開發(fā)，因此我們認(rèn)為開展高導(dǎo)熱高性能鎂合金的工作迫在眉睫，這對于充分發(fā)揮鎂合金功能性，拓展鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域以及合理高效利用資源具有重大而深遠(yuǎn)的意義。