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鎂科研：上海交大曾小勤教授團隊在高導熱鎂合金設計方面取得重要進展 ...

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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計方面取得重要進展，相關成果以“Anomalous increase in thermal conductivity of Mg solid solutions by co-doping with two solute elements”為題發表于國際金屬材料著名學術期刊“Acta Materialia”上。

研究背景 / BACKGROUND

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

研究內容 / 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%），發現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控自由電子平均自由程，是實現熱導率提升的有效方法之一。在此基礎上，提出了一種新的高導熱鎂合金設計思路：即向基體中摻入異種溶質原子，實現共固溶，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，結果發現，Sm和Al原子在基體內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，提高了鎂基體內自由電子平均自由程，實現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，實現高導熱和高強度的兼得，為高導熱鎂合金設計理論提供了新的思路。此外，本團隊聯合北京科技大學采用了一種基于時域熱反射法（TDTR）的微區熱導率測量新技術，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 Mg_98.44Sm_0.78Al_0.78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 (a) 中白色方框區域的FFT圖樣。(c) Al和Sm、(d) Al和 (e) Sm的EDS面掃結果

圖3 300 K下純Mg、Mg_99.22Sm_0.78和Mg_98.44Sm_0.78Al_0.78固溶體的自由電子平均自由程計算結果

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。

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