在 3C 电子、汽车和航空航天领域，电子元件集成度的持续提升导致单位时间和面积内发热量激增，这对散热材料提出了 “轻量化、高导热、高强度” 的三重严苛要求。镁合金虽因低密度、高比强度成为理想候选，但长期面临力学性能与导热性 “此消彼长” 的核心矛盾 —— 传统强化手段（如固溶强化、沉淀强化）会引入晶格畸变、增加溶质原子或产生第二相缺陷，加剧电子散射，最终导致导热性能大幅下降，难以满足 3C 行业 “导热率≥120 W・K⁻¹・m⁻¹” 的标准。近期，重庆大学Hao Lv等研究人员在国际顶级期刊《Acta Materialia》发表突破性成果，其中中仿JMatPro 软件作为核心热力学计算工具，为合金成分设计、相行为预测及性能验证提供了关键支撑，对该合金的导热系数、力学性能以及相分数进行了预测，最终通过调控合金元素偏摩尔吉布斯自由能，成功开发出具有导热 “稳定窗口” 的 ZXKC 系列镁合金，首次打破镁合金力学与导热性能的固有矛盾，为高性能散热镁合金研发提供了从理论模拟到实验验证的完整解决方案。
1. 研究背景
随着 3C 技术向小型化、高功率化迭代，散热组件不仅需快速传递热量，还需承担结构支撑功能，纯镁虽导热优异（室温导热率 158 W・K⁻¹・m⁻¹），但抗拉强度仅约 100 MPa，无法满足工程需求；传统镁合金通过添加合金元素强化时，会引发一系列问题：溶质原子增加导致晶格畸变，缩短电子自由程；第二相粒子与基体界面、晶粒边界增多，成为电子散射位点，这些因素共同导致导热性能骤降，例如 Mg-Al 系合金抗拉强度约 240 MPa，但导热率仅 50-100 W・K⁻¹・m⁻¹，Mg-RE 系合金导热率勉强达标（约 120 W・K⁻¹・m⁻¹），但强度波动大（90-240 MPa）。解决这一矛盾的关键，在于精准掌握 “合金元素存在状态（溶质原子 / 第二相）” 与 “宏观性能” 的关联，而这需要可靠的热力学工具量化元素行为，中仿JMatPro 软件作为专业的材料热力学与动力学计算平台，能够基于合金成分、温度等参数，精准预测相转变序列、相分数及关键性能，为研究提供三大核心支撑：
一是量化元素偏摩尔吉布斯自由能，判断不同 Zn 含量下 Cu、Ca 等元素 “形成第二相” 或 “留在基体” 的倾向 —— 这是调控元素存在状态的核心依据；
二是预测合金凝固及热处理过程中的相组成变化，避免实验中的盲目性，例如提前明确 Zn 含量与 Mg (Zn,Cu)₂、Ca₂Mg₆Zn₃等强化相的形成关系；三是对合金导热率、力学性能进行初步预测，为后续实验方案设计提供理论参考，大幅缩短研发周期，降低成本。
2. 实验方法
2.1 合金成分设计
研究团队以 Mg-xZn-0.4E-0.4Zr（E=Sc/Sr/Gd/Sn/Ag/Si/Cu/Ca，x=1-4 wt.%）为基础体系，筛选能同步兼顾强化与导热的元素组合。通过中仿 JMatPro 软件对不同 E 元素的偏摩尔吉布斯自由能进行计算，发现：当 E 为 Cu 和 Ca 时，随着 Zn 含量增加，Cu、Ca 的自由能呈规律性下降，且在 Zn 含量 1-3 wt.% 时，自由能下降幅度恰好促使二者与 Zn 结合形成 Mg (Zn,Cu)₂、Ca₂Mg₆Zn₃第二相，同时减少在 α-Mg 基体中的固溶量： 这一结果为成分设计提供了关键指引，避免了对 Sc、Gd 等自由能变化不规律元素的无效尝试。进一步通过中仿 JMatPro 预测相分数变化，确定核心合金成分为 Mg-xZn-0.2Cu-0.2Ca-0.4Zr（x=1、2、3、4 wt.%），命名为 ZXKC1000~ZXKC4000，其中 Zn 含量 2-3 wt.% 的区间被初步预测为 “导热稳定区”，为后续实验锁定目标范围。
图 1. 基于相图计算通过调控合金元素偏摩尔吉布斯自由能实现合金设计
2.2 制备与表征手段
在合金制备阶段，研究团队采用重力铸造工艺：720℃熔炼纯 Mg、纯 Cu，加入 Mg-30 wt.% Zr、Mg-25 wt.% Ca 中间合金及纯 Zn，经精炼后在 690℃浇铸，再进行 T4（450℃固溶）、T6（200℃时效）处理；在性能表征环节，JMatPro 的作用体现在实验结果的验证与补充：通过软件预测不同热处理状态下的相组成，与 XRD、SEM/TEM 观察结果对比： 例如 T6 处理后中仿 JMatPro 预测 MgZn₂相析出量增加，与 TEM 观察到的 “100×20 nm 短棒状 MgZn₂粒子弥散分布” 完全吻合；同时，利用 JMatPro 计算合金晶格参数、电子导热贡献，与实验中激光导热仪（LFA467）测试的导热率、万能试验机测试的力学性能相互印证，确保数据可靠性，JMatPro软件预测 ZXKC3000 合金导热率约 130 W・K⁻¹・m⁻¹，与实验值（130.0 W・K⁻¹・m⁻¹）几乎一致，验证了设计方案的正确性。
3. 结果与讨论
3.1 突破性发现：导热 “稳定窗口” 的热力学本质
研究团队通过实验发现，当 Zn 含量在 2-3 wt.% 时，合金呈现独特的导热 “稳定窗口”：ZXKC2000（Zn≈1.71 wt.%）导热率 132.0 W・K⁻¹・m⁻¹，ZXKC3000（Zn≈2.88 wt.%）导热率 130.0 W・K⁻¹・m⁻¹，二者几乎持平，而 Zn 含量超过 3 wt.% 的 ZXKC4000（Zn≈4.15 wt.%）导热率骤降至 122.0 W・K⁻¹・m⁻¹。这一现象的本质，通过 JMatPro 的相分数计算得以清晰解释：在 Zn 含量 2-3 wt.% 时，Cu、Ca 的偏摩尔吉布斯自由能持续下降，促使二者优先与 Zn 形成 Mg (Zn,Cu)₂、Ca₂Mg₆Zn₃第二相，JMatPro 数据显示，此区间内 α-Mg 基体中 Cu、Ca 溶质原子浓度仅增加 0.02-0.03 wt.%，晶格畸变度（LD）稳定在 0.06-0.07%，电子导热贡献（λₑ）下降缓慢（从 109.2 W・K⁻¹・m⁻¹ 降至 108.0 W・K⁻¹・m⁻¹），最终形成导热 “稳定窗口”；而 Zn 含量超过 3 wt.% 时，中仿 JMatPro 预测基体中 Zn 溶质原子浓度显著增加（超过 0.5 wt.%），晶格畸变加剧，λₑ降至 101.3 W・K⁻¹・m⁻¹，导热性能骤降。
图 2. ZXKCx000 系列合金导热系数（TC）“稳定窗口” 的成因
3.2 性能表现：JMatPro 预测与实验结果的高度吻合
经 T6 处理后，ZXKC3000 合金表现出最优综合性能：抗拉强度 257 MPa、屈服强度 119 MPa、伸长率 19.1%，同时保持 130.0 W・K⁻¹・m⁻¹ 的高导热率，远超传统 ZK60 合金（抗拉强度≈240 MPa、导热率 123 W・K⁻¹・m⁻¹）。这一结果与 JMatPro 的前期预测高度一致：软件通过相分数计算，预测 Zn 含量 3 wt.% 时 MgZn₂强化相析出量约 8.43 vol.%，结合细晶强化（Zr 细化晶粒至 52.43 μm），可实现屈服强度提升至 110-120 MPa，与实验值（119 MPa）误差仅 7.6%；同时，JMatPro 对导热率的预测考虑了相组成（α-Mg 占比 99.26 vol.%、Mg (Zn,Cu)₂占比 0.42 vol.%）的影响，计算得出有效导热率约 128-132 W・K⁻¹・m⁻¹，与实验值完全匹配，验证了设计方案的科学性。
3.3 微观机制：JMatPro 揭示第二相与性能的关联
通过中仿 JMatPro与微观分析结合，研究团队明确了性能提升的核心机制：在强化方面，JMatPro 预测细晶强化对屈服强度贡献约 50-55 MPa，沉淀强化贡献约 30-40 MPa，实验计算得出细晶强化贡献 51.1 MPa、MgZn₂沉淀强化贡献 35.5 MPa，二者结论一致，且 TEM 观察显示 MgZn₂粒子沿基体 c 轴分布，能有效钉扎位错，避免电子散射过度增加；在导热方面，JMatPro 预测铸态合金中沿晶界分布的 Ca₂Mg₆Zn₃相（导热率约 10.6 W・K⁻¹・m⁻¹）会显著降低整体导热性能，而 T6 处理后该相溶解并重新析出纳米级 MgZn₂（导热率约 41.0 W・K⁻¹・m⁻¹），虽相界增加，但电子传输路径不再受连续共晶相阻碍，这一预测与实验中 “铸态 ZXKC3000 导热率 130.0 W・K⁻¹・m⁻¹，T6 处理后仍保持该数值” 的结果完全吻合，揭示了热处理优化导热性能的本质。
图 3. 合金的力学性能。（a）铸态、（b）T4 处理态、（c）T6 处理态 ZXKCx000 系列合金（x=1、2、3、4，质量分数 %）的力学性能，（d）抗拉强度（UTS）与导热系数（TC）的关系图。
4. 总结
通过 “中仿 JMatPro 模拟 - 实验验证 - 机制分析” 的闭环研究方案，成功突破镁合金力学 - 导热矛盾，中仿 JMatPro 软件精准预测元素偏摩尔吉布斯自由能，指导筛选出 Mg-xZn-0.2Cu-0.2Ca-0.4Zr 合金体系，发现 Zn 含量 2-3 wt.% 的导热 “稳定窗口”；T6 处理后的 ZXKC3000 合金兼具高力学性能（抗拉强度 257 MPa、屈服强度 119 MPa、伸长率 19.1%）与高导热率（130.0 W・K⁻¹・m⁻¹），且 JMatPro 对性能的预测误差小于 8%，验证了模拟的可靠性；三是明确细晶强化与 MgZn₂沉淀强化是强度提升的主因，T6 处理优化第二相分布是保障导热的关键。
该研究的意义不仅在于开发出高性能散热镁合金，更在于确立了 “JMatPro 模拟引领实验” 的材料研发新范式 —— 通过热力学工具提前量化元素行为，避免盲目实验，大幅提升研发效率。未来，这一模式可推广至航空航天、新能源汽车等领域，为开发更多 “性能双赢” 的先进材料提供技术支撑，同时助力相关行业实现低碳化、高端化发展，而 JMatPro 软件作为核心工具，将持续在材料创新中发挥关键作用。
参考文献：Hao Lv, Qi Shang, Jun Tan, Quan Dong, Yunxuan Zhou, Guozhi Wu, Puhua Yu, Bin Jiang, Aitao Tang, Fusheng Pan.Breaking the trade-off between mechanical properties and thermal conductivity of magnesium alloys via regulating the partial Gibbs energy of alloying elements,Acta Materialia,2025(289),120894
关于JMatPro
JMatPro软件包含一系列宽范围的合金类型，目前可以计算的合金类型包含铝合金、镁合金、铸铁、不锈钢、高中低合金钢、钴合金、镍基合金、镍铁基合金、镍基单晶超合金、钛合金、锆合金、焊料合金（锡焊）、铜合金。
JMatPro的应用范围：
1、可为热力学计算等基础研究提供参考；
2、辅助科研人员进行合金设计；
3、辅助科研人员进行材料加工工艺设计（如铸造、锻造、挤压等）；
4、辅助科研人员进行热处理与焊接工艺设计；
5、预测材料材料各种性能，从而可以大量节省项目时间与实验费用（尤其是高温性能）；
6、能为许多材料成型 CAE 软件提供材料性能参数（如：Procast、Magma、Deform、TherCast、Novacast等）；
7、能够为其他CAE软件提供材料性能参数（如Sysweld、Abaqus、Ansys、MSC/Marc等）；
8、提供API接口，利用程序语言调用软件完成计算，方便将软件计算功能与其他软件、应用进行整合。
9、提供MPO材料优化设计，通过多目标优化算法，快速优化获得满足设计要求的材料成分。
关于中仿
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