鎂合金導(dǎo)熱性能的研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)日新月異的發(fā)展,對(duì)設(shè)備的散熱部件進(jìn)行熱管理,提高材料的散熱性能,已逐漸引起重視。鎂合金作為目前最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,其零部件的散熱性能目前也受到了極大的關(guān)注。純鎂的導(dǎo)熱系數(shù)為158W/m·K,在常用金屬結(jié)構(gòu)材料中僅次于純銅及純鋁,因此在某些對(duì)散熱性能、力學(xué)性能及輕量化有特殊要求的領(lǐng)域,鎂及鎂合金具有特殊的發(fā)展優(yōu)勢(shì),如3C產(chǎn)品、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)與大功率LED散熱器等。這些領(lǐng)域的鎂合金產(chǎn)品均面臨著熱設(shè)計(jì)的問(wèn)題,非常有必要對(duì)鎂合金的傳熱及

2、散熱性能進(jìn)行研究。
　　本文研究了鎂合金中主要合金元素對(duì)常見二元及三元鎂合金導(dǎo)熱導(dǎo)電系數(shù)的影響規(guī)律;建立了導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系;研究了第二相的析出對(duì)鎂合金導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律;利用合金化及變形對(duì)鎂合金導(dǎo)熱系數(shù)的影響規(guī)律,開發(fā)設(shè)計(jì)了可保持高耐熱性及良好可加工性能的高導(dǎo)熱系數(shù)新型鎂合金。論文的主要研究結(jié)果如下:
　　在鑄態(tài)和固溶態(tài)下,所選6組二元合金的導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù)均隨成分的增加逐漸降低;對(duì)于Mg-Al、Mg-Zn、Mg-

3、Sn及Mg-Zr合金,固溶處理會(huì)降低鑄態(tài)合金的導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù);其中對(duì)于Mg-9Al、Mg-6Zn、Mg-9Sn、Mg-0.5Zr、Mg-0.5Mn及Mg-0.5Ca,退火處理會(huì)大幅提高合金的導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù);對(duì)于Mg-0.1Mn合金,高溫?zé)崽幚頃?huì)降低鑄態(tài)合金的導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù),而對(duì)于Mn>0.1wt.％的Mg-Mn合金,高溫?zé)崽幚砗蠛辖鸬膶?dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù)反而增加;對(duì)于Ca<1.3wt.%的Mg-Ca合金,高溫?zé)崽幚頃?huì)降低對(duì)應(yīng)鑄態(tài)合金的導(dǎo)熱及導(dǎo)

4、電系數(shù),而鑄態(tài)Mg-1.5Ca合金經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù)反而增加;固溶原子在鎂基合金里的“比熱阻率”和“比電阻率”(即每添加一原子百分比溶質(zhì)原子導(dǎo)致的熱阻率和電阻率的增加值)的大小滿足以下順序:Zn　　通過(guò)測(cè)量ZA合金及ZK合金的導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù),可知當(dāng)Zn含量不變時(shí),ZA合金的

5、導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù)隨Al含量的添加呈指數(shù)規(guī)律遞減;Al含量不變時(shí),大多數(shù)ZA合金的導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù)隨Zn含量增加逐漸遞減,只有當(dāng)Al含量為6wt.%時(shí),該系列ZA合金的導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù)隨Zn含量增加先升高后降低;第二相的轉(zhuǎn)變及不同元素對(duì)導(dǎo)熱導(dǎo)電性能的影響規(guī)律是導(dǎo)致該差異的原因;當(dāng)Zn含量不變時(shí),隨著Zr含量的增加ZK合金的導(dǎo)熱及導(dǎo)電系數(shù)均呈線性規(guī)律不斷降低。
　　二元Mg-Al及Mg-Zn合金在298K至448K溫度變化范圍內(nèi)電阻率均隨溫

6、度呈線性遞增關(guān)系變化;合金成分最低為Mg-0.3Al及Mg-0.8Zn時(shí)的熱導(dǎo)率呈線性規(guī)律遞減,而其他合金的熱導(dǎo)率均隨溫度逐漸增加。導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)電系數(shù)在298K至448K的溫度范圍內(nèi)可很好的滿足Smith-Palmer關(guān)系,得出鎂合金的洛倫茲系數(shù)等于2.162×10-8V2·K-2,而對(duì)應(yīng)的晶格熱導(dǎo)率等于5.111W/m·K;
　　通過(guò)研究化合物析出對(duì)Mg-Al及Mg-Sn合金熱導(dǎo)率的影響規(guī)律,可知熱處理會(huì)大幅提高二元Mg-Al合

7、金的熱導(dǎo)率;提高時(shí)效溫度可以明顯的提高第二相析出的飽和速度;固溶態(tài)Mg-6Al及固溶態(tài)Mg-9Al合金在250℃下時(shí)效至飽和的熱導(dǎo)率反而比200℃下時(shí)效的更低;鑄態(tài)及時(shí)效態(tài)合金的熱導(dǎo)率均隨Sn元素的添加而逐漸降低;固溶態(tài)Mg-Sn合金的熱導(dǎo)率隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷升高,這主要是由于第二相的析出導(dǎo)致的基體純化引起的;大體積分?jǐn)?shù)Mg2Sn沉淀相的存在會(huì)對(duì)合金的電阻率產(chǎn)生影響,采用Pal模型進(jìn)行數(shù)值模擬的結(jié)果同Mg-6Sn合金電阻率的實(shí)測(cè)值基

8、本吻合。
　　為驗(yàn)證溶質(zhì)原子固溶和析出對(duì)鎂合金導(dǎo)熱性能的影響規(guī)律,以Mg-Al-Sr及Mg-Zn-Cu合金作為研究對(duì)象,通過(guò)合金化等手段對(duì)其導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了調(diào)控。在Mg-3wt.%Al合金中隨著Sr含量的增加,鑄態(tài)合金的熱導(dǎo)率會(huì)逐漸增加至85.3W/m·K;經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?Mg-Al-Sr合金的熱導(dǎo)率均隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,且最高可達(dá)90.7W/m·K,這與MgAlSr相向Al4Sr相的轉(zhuǎn)變有關(guān);鑄態(tài)及固溶態(tài)Mg-6Zn-xCu

9、(x=0,0.5,1.0,1.5)合金的熱導(dǎo)率均隨Cu含量的增加而不斷增大;添加合金元素Cu將極大得提高合金后續(xù)時(shí)效過(guò)程中的時(shí)效硬化效果,同時(shí)熱導(dǎo)率也相應(yīng)的大幅提高;其中1.0Cu合金在固溶處理之后160℃時(shí)效16h時(shí)的熱導(dǎo)率高達(dá)128.9W/m·K。
　　為研究變形工藝對(duì)鎂合金導(dǎo)熱性能變化的影響規(guī)律,以Mg-Zn及Mg-Sn合金板材作為研究對(duì)象,通過(guò)冷軋工藝等手段調(diào)整了該類合金的導(dǎo)熱系數(shù)。軋制處理降低了Mg-2Zn擠壓板材的熱導(dǎo)