上海交大曾小勤教授团队在高导热镁合金设计方面取得重要进展

近日，上海交通大学材料科学与工程学院曾小勤教授团队在高导热镁合金设计方面取得重要进展，相关成果以“Anomalous increase in thermal conductivity of Mg solid solutions by co-doping with two solute elements”为题发表于国际金属材料著名学术期刊“Acta Materialia”上。

01 研究背景 / BACKGROUND

兼具高强韧、高导热等性能的结构功能一体化镁合金在通讯、新能源汽车等领域轻量化热管理关键构件的应用需求迫切。一直以来，高导热合金的核心设计思路主要聚焦于避免合金元素以固溶原子形态存在基体中，然而，这直接带来了不可忽视的负面作用，即基体强度偏低。

02 研究内容 / CONTENTS

针对这一问题，本研究基于量子自由电子理论，建立了用于描述电子热导率的物理模型（镁的电子热导率大约占热导率的97%），发现电子热导率与自由电子密度的2/3次方和费米面附近自由电子平均自由程的1次方成正比。该模型表明，掺入多种固溶元素可以调控自由电子平均自由程，是实现热导率提升的有效方法之一。在此基础上，提出了一种新的高导热镁合金设计思路：即向基体中掺入异种溶质原子，实现共固溶，要求一种原子尺寸比Mg大、一种原子尺寸比Mg小，并形成偏聚，以此来调控单一原子固溶造成的晶格畸变和原子间键合状况，从而改变自由电子平均自由程和自由电子密度，实现热导率和基体强度的双提升。选择原子尺寸大于Mg的Sm原子和原子尺寸小于Mg的Al原子作为异种固溶元素对该模型进行验证，结果发现，Sm和Al原子在基体内形成多组元固溶交互作用，减弱了单一固溶原子引起的晶格畸变，提高了镁基体内自由电子平均自由程，实现了镁基体热导率的提升。该方法既能保证固溶体维持高热导率，又能解决固溶体导热和强度的矛盾问题，实现高导热和高强度的兼得，为高导热镁合金设计理论提供了新的思路。此外，本团队联合北京科技大学采用了一种基于时域热反射法（TDTR）的微区热导率测量新技术，完美地解决了固溶体热导率精确测量问题，也是本研究的亮点之一。

图1 MgSm和MgSmAl固溶体热导率对比

图2 Mg98.44Sm0.78Al0.78固溶体中沿[11-20]方向观察到的Al-Sm偏聚。(a) 原子分辨率HAADF-STEM图像。(b) 对应 (a) 中白色方框区域的FFT图样。(c) Al和Sm、(d) Al和 (e) Sm的EDS面扫结果

图3 300 K下纯Mg、Mg99.22Sm0.78和Mg98.44Sm0.78Al0.78固溶体的自由电子平均自由程计算结果

图4 本研究的图形摘要

博士生李子昕为第一作者，李德江研究员、胡波助理研究员、北京科技大学孙方远副教授为共同通讯作者，上海交通大学为第一单位。该研究得到了国家自然科学基金(No. 52271009, 52301059）的支持。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.120708。

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