铝基共晶体系微结构参数对导电与导热性能的层级调控机制研究

为解决商用铸造铝合金导电导热性能不足的问题，研究人员系统比较了Al-Si、Al-Ni等9种铝基共晶体系的微结构特征与性能关系，发现低固溶度合金元素（如Ni、Fe）结合纤维状共晶形貌可显著提升导电性（58.4% IACS）和导热性（224 W/m·K），为高强高导铸造铝合金设计提供了关键理论依据。

　　

在工程材料领域，铝合金的导电(σ)和导热(k)性能对电力传输、新能源汽车等应用至关重要。然而当前商用铸造铝合金如Al-Si体系存在显著性能缺陷——其导电导热值仅为纯铝的50-70%，严重制约了轻量化高效能部件的开发。这一瓶颈源于传统合金设计中强化机制（如固溶强化）与导电性能的固有矛盾：任何合金元素或缺陷都会阻碍电子传输，但机械性能提升又依赖这些微观结构调控。更关键的是，学界对共晶体系微结构参数如何层级影响导电导热性能缺乏系统认知，导致高导高强铝合金开发缺乏理论指导。

为破解这一难题，来自美国伍斯特理工学院等机构的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表重要研究。研究人员选取Al-Si、Al-Ni、Al-Fe等9种典型铝基共晶体系，通过CALPHAD（计算相图）软件设计具有50%初生Al相的亚共晶成分，采用电弧熔炼结合铜模铸造制备样品。借助SEM-EDS、XRD、激光闪射法等技术，系统分析了合金元素固溶度、共晶形貌等12项微结构参数与性能的关联规律，并首次通过Materials Design MedeA软件模拟了共晶相的电子输运特性。

2.1. Computherm Pandat与实验设计
通过CALPHAD计算确定Al-3Ni等9种合金的目标成分，采用高纯原料熔炼并控制冷却速率。通过OES验证成分，SEM-EDS测定α-Al相分数（46-93%），确保各组初生相比例可比。

2.3. 强关联参数分析
关键发现包括：
1）Al-Ni体系展现最佳性能（58.4% IACS，224 W/m·K），其Ni在Al基体固溶度仅0.1 wt.%；
2）共晶形貌影响显著：纤维状Al₃Ni（厚度97±9 nm）性能优于层片状Al₄Ca（251±44 nm）；
3）DFT模拟揭示Al₃Ni本征电导率达1.7×10⁶ S/m，是Al₁₃Fe₄的5000倍。

2.4. 控制参数验证
排除干扰因素：所有合金孔隙率<0.1%，杂质元素总量<0.46 wt.%，SDAS（9-20 μm）与性能无显著关联，证实微结构参数层级关系具有普适性。

3. 模拟与实测对比
ThermoCalc模拟普遍高估性能（偏差达20%），反映传统计算未考虑形貌效应。但Al-Si实测值（41.1% IACS）反超模拟结果，揭示Si半导体特性的特殊贡献。

4. 温度依赖性
高温测试（25-400°C）显示：高溶质体系（如Al-Mn）导热率随温度上升53%，而低溶质Al-Ni在25°C即达峰值，为不同工况选材提供依据。

该研究首次建立了铝基共晶合金"固溶度-形貌-本征特性"的三级性能调控模型，突破性地指出：
1）超低固溶度（<0.2 wt.%）是高性能基础；
2）纤维状共晶可通过减小电子散射截面提升导电性；
3）Al₃Ni等金属间化合物的高本征电导率可补偿界面散射损失。这些发现为开发新一代导电率>50% IACS、抗拉强度>125 MPa的铸造铝合金提供了明确路径，对电动汽车电机壳体、高压线缆等关键部件革新具有重大意义。

研究同时指出未来方向：需探索快速凝固对形貌-固溶度协同调控的影响，以及通过微合金化进一步降低基体溶质浓度。这项工作不仅填补了共晶合金导电导热理论的空白，更开创了通过晶体结构设计优化金属材料综合性能的新范式。