随着3C技术、汽车和航空航天的快速发展，近年来集成电路上电子元件的密度显著增加。元件密度的增加导致单位时间和面积的发热量增加，这对3C技术的进一步发展构成了重大挑战。因此，人们对开发用于3C应用的高性能散热元件的兴趣日益浓厚。在过去的几十年中，人们观察到具有热导率（TC，而TC的值定义为)至少为120W·K⁻¹·m⁻¹可有效用作3C领域的结构部件。因此，Ag、Cu、Au、Al、Mg、Ni等材料及其合金因其满足这一要求的潜力而广受欢迎。 

然而，如今3C散热元件的性能已不再以TC为唯一要求。随着对能源效率和减重的日益重视，使用密度更低的材料成为必然，以便在保持散热能力的同时实现更轻的重量。这使得人们广泛关注兼具低密度、高比强度和良好TC的镁合金。然而，镁合金常见的强化方法，如沉淀强化、固溶强化、细晶强化和位错强化，往往会引入线或表面缺陷（如晶界、相界、位错和固溶体的形成），从而增加α-Mg中的晶格畸变。因此，这又增加了电子在自由运动过程中散射的机会，缩短了电子的平均自由程，最终降低TC。

因此，镁合金的力学性能和TC之间的反比关系限制了其在散热部件中的应用。为了解决这个问题，大量的研究集中在合金元素的选择上。张等研究了通过添加Cu来调节Mg-5Zn合金的力学性能和TC。通过添加Cu来降低Zn的固溶度，降低基体中的晶格畸变程度，使得Mg-5Zn-4Cu合金的TC达到124W·K⁻¹·m⁻¹，而MgZnCu相的生成不仅提供了良好的强化，而且还降低了金属凝固时的能量耗散并稳定了枝晶的生长。荣等报道指出在Mg-4Al-4Zn-4RE合金中随着Y含量的增加,块状Al₁₁RE₃相和Al₂REZn₂相得到细化,而细小Al₂Y相的逐渐增加使合金的力学性能提高的同时,并没有明显降低合金的TC(当Y含量为3wt.%时,极限抗拉强度(UTS):244MPa,伸长率(EL):16.8%,TC:84.2W·K⁻¹·m⁻¹)。Al对Mg-Sm合金力学性能和TC的影响也有报道,其中Al的添加通过形成Al₂Sm和Al₁₁Sm₃相的引入，导致合金基体晶格畸变的释放，对TC和力学性能取得了一定的协同提高，其中Mg-4Sm-2Al合金具有最优异的综合性能（拉伸屈服强度（TYS）：103MPa，EL：6.8％，TC：125W·K⁻¹·m⁻¹）。 

目前的研究主要集中于改变合金制备工艺中的参数，包括合金成分、热处理和制备工艺）。随后，对合金的性能进行评估，并确定优化性能的潜在趋势。然而，这种传统方法严重阻碍了同时具有高强度和高热导率的镁合金的开发。为了克服这一局限性，建立通用的设计标准对于开发具有增强机械性能和热性能的下一代镁合金至关重要。众所周知，镁合金的TC受溶质原子、第二相、位错和晶界等因素的影响。在这些因素中，溶质原子的影响比其他因素大一个数量级以上。

因此，通过合金化降低α-Mg基体中溶质原子的浓度已成为研究的重点。部分吉布斯能可以指示元素在合金中以溶质原子或第二相存在的趋势。给定元素的部分吉布斯能的增加表明其掺入第二相的可能性更高，而部分吉布斯能的降低则有利于其以溶质原子的形式存在。因此，部分吉布斯能的变化可作为开发具有高强度和高热导率的镁合金的设计标准。 

为了开发具有高热变形温度的新型镁合金，满足散热部件的力学性能要求，必须突破目前的研究瓶颈，充分发挥合金在力学强度和热变形温度方面的性能潜力，从而提高其综合性能。本研究基于相图计算得到的偏吉布斯能，综合考虑影响热变形温度的多种因素，对合金进行优化设计，成功开发出一系列具有实际应用价值的新型高热变形温度轻质合金。通过精细控制成分和微观组织，这些合金还表现出优异的力学性能，适用于大多数散热部件。这项研究对高强度高热变形温度镁合金的设计和开发提供了有价值的指导。 

【成果速览】 

镁(Mg)及其合金因其低密度和优异的热导率(TC)而成为散热应用的热门材料。然而，由于两者之间存在逆相关性，同时实现高强度和优异的TC仍是一项挑战。为了解决这一问题，我们基于降低基体中溶质元素浓度可提高TC的原理，利用相图计算来调节Mg-xZn-0.4E-0.4Zr合金体系（其中x=1、2、3、4wt.%，E代表Sc、Sr、Gd、Sn、Ag、Si、Cu、Ca）中元素的偏吉布斯能。合成了一系列ZXKCx000合金（x=1、2、3、4wt.%，质量分数），这些合金兼具优异的力学性能和更高的TC。 

值得注意的是，作者们确定了一个由固溶体原子消耗驱动的TC“稳定窗口”。其中，ZXKC3000合金在获得与ZXKC2000合金相当的组织性能的同时，还获得了优异的力学性能，其抗拉强度达到257MPa，伸长率达到19.1%，组织性能达到130.0W·K⁻¹·m⁻¹。此外，还计算了其他镁合金的偏吉布斯能，进一步证明了通过这种方式同时提高力学性能和组织性能的潜力。该研究为设计兼具优化组织性能和力学性能的先进镁合金提供了有益的指导。  

重庆大学潘复生院士团队以“Breaking the trade-off between mechanical properties and thermal conductivity of magnesium alloys via regulating the partial Gibbs energy of alloying elements”为题发表在《Acta Materialia》上。 

【数据概况】  

图1 基于相图计算，通过调整合金元素偏吉布斯能进行合金设计  

图2 ZXKCx000合金TC“稳定窗口”的来源  

图3 合金的力学性能。(a) 铸态、(b) T4 处理和(c) T6 处理  

图4 铸态合金的微观结构  

图5 热处理合金的微观结构和时效硬化曲线  

图6 T6处理合金中时效相的TEM图像 

【结论展望】 

本工作通过调整Mg-Zn-Zr合金中合金元素的偏吉布斯能，设计了一系列具有TC“稳定窗口”的Mg-xZn-0.2Cu-0.2Ca-0.4Zr（x=1、2、3、4wt.%）合金，成功打破了镁合金TC与力学性能之间的反比关系： 1）通过优化合金成分设计，成功开发出一系列高性能镁合金，其中T6处理后的ZXKC3000合金具有优异的抗拉强度（TYS）、抗拉强度（UTS）和拉伸强度（EL），分别为119MPa、257MPa和19.1%，TC高达130.0W·K⁻¹·m⁻¹。 2）Mg-xZn-0.2Cu-0.2Ca-0.4Zr合金中的TC“稳定窗口”是由于固溶体中元素的消耗所致，当Zn浓度在2-3wt.%之间时，不会引起α-Mg基体的晶格畸变。这不会导致有效热导率的下降。 3）证实了通过调节固溶体元素的偏吉布斯能来协同提高镁合金的热变形温度和力学性能的可能性。热变形温度的“稳定窗口”与这些元素的偏吉布斯能的变化高度一致。 4）就TYS而言，细晶粒对合金性能的贡献最大（51.1MPa），其次是细小分布的MgZn₂析出相（35.5MPa）。这种沿c轴析出的短棒状相有效地固定了基底位错的滑移，使合金具有较强的加工硬化行为。 5）当Zn添加量较高时,生成沿晶界分布的共晶相,这些低TC相会延长电子移动的距离,使得电子被散射的机会增加,从而导致合金的TC显著降低。