在材料科学领域，镁合金因其低密度和优异的热导率，成为电子散热、航空航天等高端制造领域备受瞩目的材料。然而，长久以来，提高镁合金强度往往会导致热导率下降，这一矛盾严重限制了其应用范围。近期，重庆大学Jun Tan等科研团队利用 JMatPro 软件以及实验等手段，成功破解这一难题，开发出一系列高性能镁合金，实现了力学性能与热导率的协同提升，为镁合金的发展开辟了全新路径。
一、研究背景
随着 3C 技术（控制、通信和计算机）以及汽车、航空航天等行业的迅猛发展，集成电路组件密度不断攀升，散热问题日益严峻。镁合金凭借低密度、高比强度和良好热导率脱颖而出，成为理想的散热材料候选。但传统强化方法，如沉淀强化、固溶强化等，虽能提升强度，却因引入晶界、位错等缺陷，增加晶格畸变，导致电子散射加剧，热导率显著降低。这种力学性能与热导率之间的相互制约，成为制约镁合金在散热部件应用的关键瓶颈。
二、镁合金设计
为突破这一困境，科研团队采用 JMatPro 软件，对 Mg–xZn–0.4E–0.4Zr 合金体系（x = 1, 2, 3, 4 wt.%，E 代表 Sc、Sr、Gd、Sn、Ag、Si、Cu、Ca 等元素）进行相图计算，精准调控合金元素的部分吉布斯自由能。基于相图计算结果，设计出 ZXKCx000 系列镁合金（x = 1, 2, 3, 4 wt.%），成功打破力学性能与热导率的反相关系。
（一）合金元素筛选与配比优化
通过 JMatPro 软件计算不同合金元素在镁基体中的偏吉布斯自由能，发现 Sc、Sr、Gd、Sn、Ag 等元素的偏吉布斯自由能随锌含量增加先略微上升后趋于平稳，而 Cu 和 Ca 的偏吉布斯自由能则在锌含量超过 1wt.% 后急剧下降。这表明 Cu 和 Ca 更倾向于以溶质原子形式存在于基体中，而其他元素则更可能以第二相形式析出。基于此，团队选取适量锌与其他合金元素组合，设计出 ZXKCx000 系列合金。
图 1. 基于相图计算对合金元素的部分吉布斯能进行调整以实现合金设计
（二）热导率 “稳定性窗口”
利用 JMatPro 软件模拟计算，发现当锌含量处于 2-3wt.% 时，合金的热导率出现 “稳定性窗口”。在此区间，尽管锌含量增加，但热导率下降趋势显著放缓。这是由于锌的加入促使部分合金元素从基体中析出形成第二相，降低了基体中溶质原子浓度，减少了晶格畸变，从而维持了较高的热导率。通过软件对不同锌含量下的相组成、溶质原子浓度等参数进行预测，精准定位这一关键区间。
图 2. ZXKCx000 合金“稳定性窗口”所源自的区域。
三、实验验证
科研团队采用重力铸造方法制备 ZXKCx000 系列合金，并进行 T4 和 T6 热处理实验。实验结果与软件模拟高度一致，充分彰显了 JMatPro 软件在镁合金设计中的实用性与可靠性。
（一）热导率性能
在室温下，所有铸造合金的热导率均超过 120 W⋅K⁻¹⋅m⁻¹，满足 3C 行业需求。经 T4 和 T6 处理后，合金热导率虽略有波动，但仍优于传统合金。特别是在锌含量为 2-3wt.% 的 ZXKC2000 和 ZXKC3000 合金中，热导率稳定性窗口现象明显，热导率分别达到 132.0 W⋅K⁻¹⋅m⁻¹ 和 130.0 W⋅K⁻¹⋅m⁻¹，展现出卓越的热导率性能。
（二）力学性能
未热处理的 ZXKCx000 合金展现出较纯镁更为优异的力学性能，随着锌含量增加，屈服强度、抗拉强度和延伸率不断提高。经 T6 处理后，合金的时效强化效果显著增强，屈服强度和抗拉强度进一步提升。其中，ZXKC3000 合金在 T6 状态下屈服强度达 119 MPa，抗拉强度达 257 MPa，延伸率达 19.1%，实现了高强度与高塑性的完美结合。
四、微观组织解析
借助光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等先进仪器，研究团队对合金微观组织进行深入剖析，揭示了 JMatPro 软件模拟结果与实际性能提升背后的微观机制。
（一）铸造组织
在未热处理的 ZXKCx000 合金中，随着锌含量增加，晶粒尺寸逐渐细化，同时晶界处的共晶相逐渐增多并增厚。共晶相中锌元素聚集明显，同时在部分区域还观察到钙和铜元素的聚集。通过相图计算，确定共晶相主要为 Mg(Zn, Cu)₂ 和 Ca₂Mg₆Zn₃ 相。
（二）热处理后的组织演变
经 T4 处理后，晶界处的共晶相几乎完全消失，仅残留少量。在 T6 处理后，合金晶粒尺寸略有增大，同时基体内析出大量细小弥散分布的纳米级沉淀相。TEM 分析表明，这些沉淀相主要为 MgZn₂ 相，沿着合金的柱面析出，其长轴方向与基体的 c 轴方向平行，这种独特的沉淀形态对合金的力学性能和热导率产生了显著影响。
五、展望
本项研究不仅开发出 ZXKCx000 系列高性能镁合金，更为镁合金的设计理念带来了革命性转变。未来，在 JMatPro 软件的持续助力下，镁合金有望在更多领域实现突破，如开发出具有更高热导率和强度的新型镁合金，以满足 5G 通信、人工智能、新能源汽车等新兴领域对高性能散热材料的迫切需求。同时，随着软件功能的不断拓展与完善，其在镁合金乃至整个金属材料研发领域的应用将更加广泛深入，持续推动材料科学与工程技术的进步。
综上所述，JMatPro 软件在此次镁合金研究中发挥了关键作用，从合金设计、性能预测到微观组织分析，全方位助力科研团队实现力学性能与热导率的协同提升。这一成果不仅为镁合金在散热部件的应用提供了高性能材料选择，更为材料研发领域提供了宝贵的理论与实践借鉴，充分展现了 JMatPro 软件的强大魅力与广阔应用前景。
参考文献：[1][1] Lv H , Shang Q , Tan J ,et al.Breaking the trade-off between mechanical properties and thermal conductivity of magnesium alloys via regulating the partial Gibbs energy of alloying elements[J].Acta Materialia, 2025, 289(000).DOI:10.1016/j.actamat.2025.120894.
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。
