在《Acta Materialia》期刊上，上海交通大学和北京科技大学的研究团队发布了关于镁（Mg）固溶体的新研究成果。研究者通过共掺杂两种溶质元素，成功实现了镁合金热导率的显著提高。这一发现挑战了传统的高热导镁合金设计思路，并为未来高性能镁合金的研发开辟了新的方向。
研究背景与目标
镁合金因其轻质和较高的强度，广泛应用于汽车、航空航天及电子产品等领域。然而，镁的热导率较低，这限制了其在高热量应用中的使用。传统的设计方法通常认为减少溶质元素的浓度有助于提高镁合金的热导率，然而，这种设计方法忽视了电子运动能力对热导率的影响。本文的研究首次从物理本质的角度，揭示了通过共掺杂两种溶质元素来调控电子运动能力，从而实现镁固溶体热导率的异常提升。
TDTR技术的应用与贡献
研究中采用了时域热反射（TDTR）技术来精确测量镁固溶体的热导率。TDTR技术通过超短激光脉冲激发样品表面，产生瞬态热脉冲，并通过探测反射光的变化来分析热传输特性。该方法能够在纳米尺度上有效地测量薄膜和异质结构材料的热导性能，尤其适用于难以直接测量的材料。
在本研究中，使用了Aunist（昊远精测）提供的Pioneer-01 TDTR系统进行热导率测量。Pioneer-01系统配备了1064nm的飞秒激光，利用532nm调制脉冲对样品表面进行加热，并通过测量反射光信号来提取热传输数据。通过该技术，研究人员成功测量了纯镁、Mg-Sm和Mg-Sm-Al固溶体的热导率，验证了共掺杂溶质元素对热导率的提升作用。
实验结果与发现
实验结果显示，通过在镁固溶体中同时掺入铈（Sm）和铝（Al）元素，镁合金的热导率实现了异常增加。具体来说，Mg-Sm固溶体的热导率在掺入铝元素后，较单一掺铈的固溶体提高了约25%。这一现象与传统认为的溶质元素浓度增加会降低热导率的观点相悖，表明共掺杂两种溶质元素能够有效调节电子运动能力，从而增强热导率。
TDTR测试数据表明，掺铝后，镁固溶体的自由电子密度（n）和自由电子的平均自由程（lF）得到优化，导致热导率的提升。具体来说，掺铝的固溶体在改善电子自由程方面起到了关键作用，表明电子运动能力是热导率提高的主要原因。
结论
本研究的创新之处在于揭示了通过共掺杂两种溶质元素来提升镁合金热导率的机制，挑战了传统的设计理念，并为高热导率镁合金的开发提供了新的思路。通过TDTR技术的应用，研究人员准确测量了镁固溶体的热导率，并进一步验证了电子运动能力在热导率提升中的关键作用。这一研究成果为未来高性能镁合金的设计与优化提供了理论依据，具有广泛的应用前景。
