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北京大学杜文博教授团队:发表镁合金领域综述
2020-05-24 21:45:51

      在过去的时间里,研究者们一直追求镁合金在力学-导热双重性能的应用,并且已经做出了很大努力来改善不同镁合金的导热性和力学性能,并且清楚地掌握了微米级、纳米级甚至分子尺度上的基本传热过程。近日,北京工业大学杜文博教授团队发表了镁合金的导热性综述文章。相关  论文以题为“ A review on thermal conductivity of magnesium and itsalloys ”近日发表在Journal of Magnesium and Alloys。

      论文链接:

      https://doi.org/10.1016/j.jma.2019.08.002

     这篇研究高度总结了近几年的研究工作,重点介绍了溶质原子,热处理,变形和温度等因素对镁合金的导热性的影响,希望对正在开发具有优异导热性的镁合金的研究人员有所帮助。

      Mg-Zn和Mg-Mn系列合金的电导率通常高于Mg-Al和Mg-RE系列合金的电导率。在镁合金的功能应用中,热导率和机械性能之间的平衡仍然是长期的挑战。应当更多地关注合金设计和优化制造工艺,以开发具有优异热性能和机械性能的镁合金。→综述:镁合金的导热系数研究最新进展!

                                                       

图1. 镁合金的导热系数与极限抗拉强度的关系

      镁合金的导热系数与其组成密切相关。α-Mg基体中表现为非均质原子的合金元素普遍降低了镁合金的导热系数。镁合金的导热系数与其组成密切相关。遗憾的是,α-Mg基体中表现为非均质原子的合金元素普遍降低了镁合金的导热系数。图中显示了几个溶质原子恶化α-Mg基体热导率的顺序。添加溶质原子会引起α-Mg基体的晶格畸变,改变晶格参数并通过取代Mg原子缩短电子和声子的平均自由程,从而对导热性能产生不利的影响。晶格畸变的发生主要是由于两个原因。一方面,由于溶质原子与镁原子之间半径的差异,认为溶质原子是引起晶格畸变的主要原因。另一方面,溶质原子和镁原子的化学价态可以改变。溶解度越高的溶质原子引起的晶格畸变越严重。

                                                          图2. 溶质原子对α-Mg基体热导率的影响

      在时效处理过程中α-Mg基体中会析出大量溶质原子,形成的第二相会削弱晶格畸变从而提高导热性能。时效处理同时也增大了平均晶粒尺寸和减少了原始的晶界缺陷,这也是有利于提高导热系数。而且热导率可通过老化时间来提高热导率。

                                                                  

图3不同镁合金的热性能。(a) 热扩散率;(b)比容量;(c)导热系数;(d)导热系数与α-Mg相的单晶体的变化

      大量研究认为析出相与α-Mg基体之间的界面对基体原子在析出相周围的排列有重要影响。在时效处理过程中,析出物与基体之间的界面从时效下的共格界面或峰值时效时的半共格界面转变为过时效时的非共格界面。主要原因是由于析出相原子占据α-Mg晶格节点而引起的应力场较大,共格界面引起严重的晶格畸变。这种晶格畸变严重限制了电子和声子的自由运动和导电,导致镁合金的电导率或热导率下降。相反,沉淀与α-Mg基体之间的非共格界面产生了相对较小的晶格畸变。另外,虽然第二相的形成会产生新的表面缺陷不利于导热,但镁合金的导热系数对溶质原子比第二相更为敏感。因此,时效处理是提高镁合金导热系数的有效方法,它可以同时提高导热系数和力学性能。这一结论也适用于其他合金,如铝和锌合金。

    图4.498K下的Mg-12Gd合金不同时效时间的TEM和亮场。(a,d)4 h;(b,e)24 h;(c,f)300 h;(g)共格界面;(h)非共格界面的原子模型

      变形对热导率的影响相对复杂,通常主要受各种因素的影响,如织构、晶粒尺寸和析出物等等。由于再结晶晶粒的择优取向和镁合金的六方密排(HCP)结构,镁合金的热导率表现出明显的各向异性。袁等人报道了ZM51合金在横向(TD)和法向(ND)方向的导热系数优于挤压方向(ED)的导热系数。主要由于是电子和声子在<112‘0>方向和{0001}面上的平均自由程相对较短。但是动态析出和基体织构的弱化对导热系数有积极的影响。另外还比较了钟等人在铸态和挤压态具有不同锰含量的二元Mg-Mn合金在室温下的导热系数的研究,发现在Mn含量小于1.2wt.%的情况下,铸态Mg-Mn合金表现出比挤压态合金更高的导热系数,这是因为挤压后平均晶粒尺寸减小,并产生了典型的基体织构造成的主要原因。然而,当Mn含量超过1.2wt.%时,情况正好相反,因为在热挤压过程中纳米颗粒从α-Mg基体中析出。此外,Panet等人研究称,由于基体的织构弱化,大应变轧制可以提高镁合金的导电率,因此,织构弱化是开发导热性能优良的镁合金的首选方法。

                                                   图5.挤压态ZM51合金EBSD的微观结构(a)ED样本;(b)TD样本;(c)ND样本

图6. (a,b)挤压态Mg-1.2Mn合金中细小颗粒的透射电镜观察;(c)不同Mn含量的铸态和挤压态Mg-Mn合金导热系数的比较;Mg-0.1Mn合金的极图(d)铸态;(e)挤压态

      在较高温度范围内(>300K)纯镁及其合金的热导率随温度的变化不同。由于声子能量的增加,纯Mg的导热系数随着温度的升高而降低,导致电子-声子和声子-声子散射增强。然而与纯Mg相比,Mg-Zn二元合金的导热系数随温度升高而增大。由于Zn元素的加入,杂质-电子弹性散射和杂质-声子弹性散射是影响热导率的主要因素。类似地,其他二元或三元镁合金也存在这样的现象。所以材料的导热系数随温度的升高而降低。然而,低温(0-300K)的导热系数变化也不同。纯Mg、Mg-0.5%Zn和Mg-1.5%Zn合金的热导率在20-40K的极低温度范围内出现峰值,这是由于缺陷以及杂质-电子散射和杂质-声子散射的最终竞争的结果。高能声子对电子的散射随着温度的升高而增强,从而导致电子导热系数急剧下降。在其他材料中也观察到类似的现象,如铝合金和钢等。因此,确保镁合金制成的产品(如电子产品)在产生热量时表现出预期的性能就显得尤为关键。

                                                      图7铸态纯Mg和Mg-Zn合金的导热系数与温度的关系:(a)高温;(b)低温

       综述了近年来有关镁合金导热性能的相关研究进展,为今后开发具有工程应用价值的高导热镁合金提供了参考和借鉴。为此提出以下建议:

       (1)为了开发出导热性能优良的镁合金,在降低晶格畸变和提高α-Mg基体纯度方面应给予更多的关注。

       (2)实现晶格缺陷和溶质原子的减少,有望提高镁合金的热导率。

      (3)尽管Mg-RE系合金可以获得高强度,但由于RE和Mg原子的化学价、半径和核外电子的差异等众所周知的困难,开发具有高导热系数的Mg-RE合金仍然是一个极大挑战。

      (4)建立溶质原子、析出物、晶粒大小和织构对镁合金导热系数影响模型还有很多工作要做。(材料科学网 材料科学与工程

 

 

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