導論：隨著高度集成電路的不斷發展，伴隨著對能源效率和減輕重量的需求不斷增長，材料面臨著與導熱性和輕量化有關的日益嚴峻的挑戰。由于鎂合金的內在機理眾多，其導熱系數與力學性能往往呈反比關系，成為制約鎂合金應用的瓶頸。通過對提高鎂合金導熱系數的幾種有效改性方法的研究，闡述了改性方法對鎂合金力學性能的影響規律，明確了峰時效處理是同時提高鎂合金導熱系數和力學性能的最佳方法之一。作為最常用的鎂合金，鑄造合金表現出實現高導熱性的巨大潛力。此外，最近的報告表明，熱變形可以顯著改善合金的力學性能，同時保持并可能略微提高合金的導熱性。這為鎂合金在要求高強度的小體積散熱元件領域的應用提供了一條有意義的途徑。本文首先概述了標準測試和預測方法，然后介紹了用于預測導熱系數的理論模型，然后探討了影響導熱系數的主要影響因素。綜述了鎂合金的發展現狀，重點介紹了鎂合金在高導熱性和高強度兩方面的研究進展。最后，它提供了對該領域未來前景和挑戰的見解。

Mg作為最輕的結構金屬材料，具有比強度高、密度低的優點。鎂合金具有優良的導熱性(TC)，具有開發輕質散熱元件的潛力，因此，鎂合金的研究在世界范圍內得到廣泛開展。市場反饋表明，TC值為120 W·K?1·m?1通常被認為是3C(計算機、通信和消費產品)應用的閾值。若要用作發光二極管輻射模塊等領域的熱元件，則更需要達到130 W·K 1·m 1。此外，當考慮到降低成本、提高能源效率和減輕重量的迫切需要時，很明顯，很少有金屬能滿足這些苛刻的標準，如表1所示。值得注意的是，Mg及其合金具有密度低、比強度高、導熱系數高的優點，室溫下純Mg合金的導熱系數可達158 W·K?1·m?1。因此，近年來鎂合金的導熱性受到了越來越多的關注，根據Web of Science Core Collection中以“鎂合金”和“導熱性”為關鍵詞檢索到的近年來的出版物數量，如圖1(a)所示。

表1。各種純金屬的熱導率(TC)和密度。

圖1所示。(a)“鎂合金”和“導熱系數”關鍵詞檢索到的論文數量，(b)關鍵詞統計的網絡可視化圖。

不幸的是，大量的研究已經揭示了鎂合金的強度和TC之間的內在權衡。這種權衡源于這樣一個事實，即幾乎所有主要的強化機制(例如，細晶強化、固溶強化和位錯強化)都傾向于導致TC的降低，這與固溶體原子、位錯和晶界作為晶格缺陷的電子散射有關。此外，織構強化引入了各向異性。因此，尋找一種既具有高強度又具有高TC的鎂合金仍然是一個挑戰。Mg-1.0Zn-0.9Cu合金表現出148 W·K?1·m?1的超高TC。但其抗拉屈服強度(TYS)、極限抗拉強度(UTS)和斷裂伸長率(EL)分別僅為55 MPa、176 MPa和13.9%，僅略優于純Mg。而峰時效Mg-2.0Gd-2.0Nd-2.0Y-1.0Ho-1.0Er-0.5Zn-0.4Zr合金，雖然表現出較高的力學性能(TYS: 215 MPa, UTS: 306 MPa, EL: 5.7%)，但其相對較低的TC為53 W·K?1·m?1。

高TC允許溫度均勻分布和減少熱應力，從而延長導熱材料的使用壽命。此外，增強的機械性能使這些材料適合生產具有更嚴格強度要求的散熱部件。因此，該領域的研究人員一直致力于開發既具有高TC又具有優異機械性能的鎂合金。如圖1(b)所示，鎂合金熱變形的最新研究趨勢主要集中在“相組成”、“溶質原子”、“熱處理”、“擠壓”、“力學性能”等相關領域。然而，近年來“抗拉強度”、“力學性能”等關鍵詞呈現上升趨勢，這表明研究人員越來越多地將重點轉向開發“高強度”與“高導熱性”相結合的高性能鎂合金，如圖1(b)所示。本文介紹了鎂合金的幾種常用改性方法，包括熱處理、熱變形和合金化法。探討了這些方法對復合材料性能的內在影響以及對復合材料力學性能的影響。此外，它突出了應用模擬預測工具在追求高性能鎂合金方面的巨大研究潛力。最終目標是為高性能鎂合金的發展鋪平道路。

重慶大學譚軍教授等人在這篇綜述中，首先概述了常用的測試和預測方法，然后是用于預測導熱系數的理論模型。然后討論了影響導熱系數的主要因素，包括合金化(溶質原子、第二相、價態)和變形(織構、晶粒尺寸、位錯密度)的影響，以及服務溫度和熱處理(固溶處理、時效處理、退火處理)等考慮因素。總結了鎂合金的發展現狀，強調追求高導熱性和高強度相結合的合金。內容總結了對該領域未來前景和挑戰的見解。

相關研究成果以“Recent advancements in thermal conductivity of magnesium alloys”發表在 Journal of Magnesium and Alloys上。

鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2213956724000811?via%3Dihub 

表2。不同純金屬的比熱容。

表3。理想Mg晶體和某些Mg合金的晶格常數及其TC(*表示從相應文獻中的圖像獲得的數據)。

圖2所示。(a, b) MgZn2和(b, d) Mg4Zn7的電子導熱系數和(c, d)聲子導熱系數。

圖3所示。(a)固體傳熱示意圖[76]，(b)晶格中Zn原子在傳熱過程中對電子和聲子的散射。

圖4所示。研究了6種二元鎂合金在鑄態和固態以及(a-f) Mg- al、Mg- zr、Mg- mn、Mg- ca、Mg- zn和Mg- sn合金的導熱系數和電導率。

圖5所示。(a) Mg-La相圖，(b)不同擠壓溫度下Mg-La- zn - zr合金的TC和熱擴散系數。

圖6所示。(a-c)組織，(d)織構，(e)擠壓態Mg-5.0Zn-1.1Mn合金的力學性能和導熱系數。

圖7所示。(a)晶粒尺寸對純Mg室溫和低溫導熱系數的影響，以及(b-f)相應的顯微組織。

圖8所示。熱導率受(a) Burgers矢量和(b)位錯類型的影響。

圖9所示。擠壓參數對Mg-5.6Zn-1.8Yb-0.3Zr合金組織的影響

表4。變形參數對鎂合金室溫導熱系數的影響(*表示從相應文獻中的圖像獲得的數據)。

圖10所示。(a)室溫~ 300℃范圍內Mg-3.2Al-4.4La-0.4Nd和AE44合金的熱擴散系數，(b)比熱和(c)導熱系數。

圖11所示。(a) Mg- al， (b) Mg- zn， (c) Mg- mn合金在0-300 K溫度范圍內的導熱系數隨溫度的變化。

圖12所示。498k時效(a) 4h， (b) 24h， (c) 300h的Mg-12.0Gd合金基體與相界面;(d)單元胞體積與導熱系數的關系。

圖13所示。三種Mg-Zn-La合金在200°C時效(a-c) 3或5 h， (e-g) 20 h的HAADF圖像，以及(d)基體和(h)第二相Zn原子濃度。

圖14所示。近年來高性能(a)鑄造鎂合金和(b)變形鎂合金的發展現狀:藍點為無re鎂合金，黃點為添加re鎂合金。

在鎂合金發展的新形勢下，研究人員已經從單純追求高導熱系數(TC)轉向追求既能提高機械強度又能提高TC的高性能鎂合金，這使得研究人員在合金元素類型和添加量的選擇以及熱處理工藝參數的制定上更加謹慎。這種轉變使鎂合金能夠滿足各種應用領域對增強強度不斷增長的需求。然而，強度和TC之間的內在權衡對開發這種高性能合金提出了重大挑戰。這導致了高強度、高導熱鎂合金發展的瓶頸。近年來，研究人員通過優化合金元素的種類和用量、探索更合適的熱處理工藝參數和熱擠壓方法，不斷嘗試制備導熱性能更好、力學性能更平衡的新型鎂合金。在目前的研究中，鑄造鎂合金的性能主要集中在120 W·K?1·m?1和220 MPa，而擠壓鎂合金在130 W·K?1·m?1和330 MPa左右的性能已經值得關注。

本文對合金體系的優化、熱處理和熱變形進行了綜述。本文綜述了高性能鎂合金的最新研究進展，旨在為其今后的發展提供有價值的指導。建議提出以下意見:

(1)在選擇合金元素和尋求最佳添加量時，宜選擇原子半徑和價態與Mg相近、在所需的試驗溫度下在Mg基體中的固溶度較低的元素。當合并多種元素時，它們的原子比例應該理想地與預期相的形成一致。

(2)固溶處理總體上降低TC，時效處理總體上提高TC，但也有個別例外。隨著時效時間的延長，TC逐漸增大。然而，在優化TC和保持所需的機械性能之間取得平衡是至關重要的，因為僅僅延長老化時間可能是不夠的。

(3)熱變形在一定程度上提高了合金的TC，但由于變形引起的織構引入了各向異性。然而，顯著改善的機械性能使其有足夠的潛力制造小型、高強度、散熱的鎂合金部件。

(4)高溫合金的研究主要集中在室溫，對高溫高溫合金和高溫力學性能的研究存在較大空白，值得深入研究。

(5)目前對導熱鎂合金的研究主要集中在鑄態合金上，通過復合材料、增材制造和SPD方法(如等通道角擠壓)探索導熱性能與力學性能平衡較好的導熱鎂合金還存在明顯的空白。

(6)在高性能鎂合金領域，普遍采用的方法是通過實驗收集數據，然后推導出潛在的模式。遺憾的是，理論預測工具，如第一性原理分析和分子動力學模擬，可以為實驗提供有價值的指導，在這一領域明顯缺乏。