合金元素和显微组织对镁合金热导率的影响机理研究

With the increasing requirement of heat sinks with light weight, Mg alloys with light weight and high strength have great potential applications in heat-sinks of electronic components. In addition, magnesium alloys with low density and high thermal conductivity are regarded as potential candidate for low temperature aerospace components. In recent years, the development of Mg alloys with high thermal conductivity and their heat conduction mechanism at low temperatures (2K-300K) and medium temperatures (300K-600K) have drawn great attention of researchers. The first step of the project is to investigate the effect of grain size, dislocation, twinning and texture on the thermal conductivity and electric conductivity of pure Mg at low temperatures (2K-300K) and medium temperatures (300K-600K) by modify the microstructure of the pure Mg. Then the effect of alloying solute atoms and second phases on the thermal conductivity and electric conductivity of Mg alloys at low temperatures and medium temperatures is studied. On the basis of the understanding of the variation of thermal conductivity at different temperature range with alloying elements and microstructure, the thermal conductivity will be revealed by calculation and analysis, so that the different scattering mechanisms contributing the thermal conductivity will be separated. As a result, the effect of alloying elements and microstructure on heat conductivity of Mg and Mg alloys at different temperature ranges will be revealed. The project will further enrich and develop of the heat conduction theory of pure magnesium and magnesium alloys, and have great signifcance for the development of new high performance magnesium alloys with high thermal conductivity.

随散热器轻量化需求增加，轻质高强镁合金在电子产品散热器上具有广泛的应用前景。此外，轻质高导热镁合金在空间低温构件上的应用近来也受到关注。因此，镁合金的低温（2K-300K）和中温（300K-600K）范围导热机理研究及高导热镁合金研发逐渐引起了研究者关注。本项目将首先以商业纯镁为主，通过改变纯镁的显微组织，研究晶粒度、织构、位错和挛晶等对纯镁低温和中温热导率和电导率的影响规律；然后通过添加不同的合金元素，研究固溶合金元素和第二相对镁合金低温和中温热导率和电导率的影响规律。根据不同温度区间，纯镁和镁合金的热导率和电导率随各影响因素(晶粒度、孪晶、织构、合金元素)的变化规律，通过计算、分析，分离出各种散射机制对热导率的贡献，揭示合金元素和显微组织在不同温度区间对镁合金热导率的影响机制，揭示纯镁和镁合金的导热机理。研究成果将丰富和发展纯镁和镁合金的导热理论，为新型高导热镁合金的开发提供理论指导。

本项目针对散热器轻量化需求，研究了合金元素和显微组织对纯镁、二元镁合金及多元镁合金热导率的影响规律和机理，提出了高导热高强镁合金的设计准则。.在2-300K的低温区，由于电子-缺陷散射以及电子-声子散射的竞争关系，纯镁在30-40K的温度出现热导率峰值。织构对于纯镁的低温热导率影响不大；随着晶粒度的增加，晶界对于电子的散射作用减弱，导致纯镁的热导率峰值增加。合金元素的添加引起晶格畸变，抑制了低温热导率峰值出现。本项目提出了描述纯镁和二元镁合金低温热导率的公式。随合金元素含量增加，电子-缺陷散射、电子-声子散射和声子-缺陷散射都有所增强，电子热导率随着合金元素含量的增加而大幅下降，声子热导率则变化幅度不大；随着温度的增加，电子热导率占总热导率的比例下降，声子热导率的比例上升。.与纯镁相比，铸态二元镁合金的热导率均有所降低，而且热导率随着合金元素含量的增加而下降。挤压态二元镁合金的热导率呈现各向异性，挤压后形成了基面平行挤压方向的织构，而基面是密排原子面，所以电子和声子在平行挤压方向运动时受到散射的几率更大，导致平行挤压方向的热导率明显低于垂直挤压方向的热导率。二元镁合金的热导率与合金元素的种类及含量密切相关。添加Gd、Mn、Cu等元素显著降低镁的热导率，而添加Zn、La、Al、Ca等元素导致热导率下降的幅度较小，室温下合金元素对于热导率下降的幅度排序为：Zn<La<Al<Ca<Cu<Mn<Gd。固溶溶质元素对镁合金热导率的影响主要由两个因素决定：合金元素与镁原子尺寸的差异、合金元素和镁化合价的差异。这两个因素都会造成晶格畸变，从而降低热导率。此外，与固溶在基体中相比，合金元素以第二相的形式存在可以减小热导率的降低幅度。.在二元镁合金热导率的研究基础上，研究了合金元素、第二相和晶界偏聚对三元和多元镁合金的热导率的影响规律和机理，给出了高导热高强镁合金的设计准则。选择合适的合金元素，促使铸造、塑性变形及热处理过程析出第二相、溶质原子晶界偏聚，降低基体中固溶溶质原子含量，可开发兼具高热导率和高强度的铸造和变形镁合金。研究成果丰富和发展了纯镁和镁合金的导热理论，为新型高导热高强镁合金的开发提供了理论指导。