二元镁合金电导率与热导率关联机制研究及Smith-Palmer方程修正

　　针对镁合金电/热导率关联模型精度不足的问题，研究人员系统研究了Mg-1X（X=Al,Ca,Sc等）合金在300-525K范围内的传导特性，通过线性回归建立了修正的Smith-Palmer方程λ=1.838×10-8 Tσ+3.471，揭示了溶质元素体积比、价态差及核外电子构型的协同调控机制，为电子器件热管理材料设计提供理论依据。

　　

镁合金因其卓越的阻尼性能和电磁屏蔽特性，近年来在航空航天、电子设备等领域备受青睐。然而，与这些"明星属性"相比，镁合金优异的电导率和热导率却长期处于研究的"阴影区"。这种忽视令人意外，因为在电子器件微型化和高功率化的今天，兼具良好导电/导热性能的材料正是热管理系统的"梦中情材"。更令人困扰的是，现有研究对镁合金这两种传导性能的内在关联认知模糊——传统Wiedemann-Franz定律简单粗暴地将热导率(λ)与电导率(σ)的关系表述为λ/σ=L₀
T，却忽略了材料特异性Lorentz系数(L₀
)的温度依赖性，更对声子热传导的贡献视而不见。这种理论缺陷导致工程实践中难以精准预测镁合金的传热行为，就像试图用中世纪地图导航现代城市般荒谬。

为破解这一困局，中国国家镁合金材料工程技术研究中心的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表突破性成果。他们选取7种代表元素（Al、Ca、Sc、Mn、Zn、Y、Gd）制备二元Mg-1at.%X合金，采用四探针法和激光闪射法分别测定300-525K温区的电导率与热导率，通过线性回归构建了修正的Smith-Palmer方程。研究发现：电导率随温度升高呈线性下降（电子散射增强所致），而热导率却反常上升（声子传导主导），二者通过λ=1.838×10^-8
Tσ+3.471的定量关系耦合，其中1.838×10^-8
V²
·K^-2
为材料特异性Lorentz系数，3.471 W·m^-1
·K^-1
代表声子热导率贡献。该模型首次量化了溶质元素体积差异比、价电子数差及核外电子构型对传导性能的协同调控作用，为高精度热管理材料设计提供了"分子尺度的调控手册"。

关键技术包括：(1)采用CO₂
/SF₆
混合气体保护的电阻炉熔炼法制备7组二元镁合金；(2)通过四探针法测量电导率随温度(300-525K)的变化；(3)利用激光闪射法测定热扩散系数并计算热导率；(4)基于Smith-Palmer框架进行线性回归分析。

【材料制备】采用高纯镁(99.97wt.%)与合金元素通过保护性熔炼制备Mg-1at.%X合金，确保微观组织为单一固溶体相，为传导性能测试提供理想样本。

【电导率变化规律】所有合金电导率均随温度升高而降低，降幅顺序为Mg-Zn>Mg-Ca>Mg-Al>Mg-Sc>Mg-Y>Mg-Gd>Mg-Mn，其中含d区元素Mn的合金表现出最强的温度敏感性，这与Mn的3d⁵
电子构型加剧电子-声子耦合有关。

【热导率反常行为】与传统金属不同，镁合金热导率随温度升高而增加，尤其在含f区稀土元素(Gd,Y)的合金中更为显著，表明声子传导在高温区的主导地位。这种"电降热升"的悖论行为通过修正的Smith-Palmer方程得到完美统一。

【传导机制解析】溶质与镁基体的体积差异比(ΔV/V)通过晶格畸变影响电子平均自由程；价电子数差(ΔZ)改变费米面附近态密度；而溶质元素的s/p/d/f电子构型则决定了散射中心的各向异性特性。这三要素如同"三维调控旋钮"，共同决定了传导性能的温度响应特性。

这项研究不仅修正了传统传导理论的局限性，更建立了首个适用于多元镁合金的普适性传导模型。特别值得关注的是，研究者发现含ds区元素Zn的合金具有最优异的综合传导性能，这为开发新型高热导镁合金指明了方向——就像在元素周期表中发现了"传导性能的金矿带"。该成果对5G基站散热模块、航天器热防护系统等极端环境应用的材料设计具有里程碑意义，标志着镁合金从"结构材料"向"功能-结构一体化材料"的华丽转身。未来，通过机器学习进一步优化Smith-Palmer方程中的参数矩阵，或将开启"按需设计"合金传导性能的新纪元。