文|游侠儿

编辑|藏剑游侠儿

«——【·前言·】——»

铝合金具有低密度、高比强度和良好的导电导热性能等优点，近年来逐渐代替铜被应用于输电线路领域，同时高集成化的电子通讯设备对材料的散热性能提出更高的需求，研发高导电、高导热的铝合金成为当前关注的研究热点之一。

本工作通过分析 21 种元素含量对工业纯铝电导率的影响，并针对元素种类对纯铝导电性能影响的内在机制进行了系统的探讨，为高导电、高导热铝合金的开发，特别是实现铝合金力学性能和导电导热性能平衡优化设计和应用，提供实验参考与理论依据。

«——【·纯铝导电性能影响实验·】——»

本研究选用工业纯铝为基本原料，根据元素特点，通过纯金属或中间合金的形式引入配制，获得实验所需的二元合金。

按照元素的自身特性和在铝合金中的主要作用分为：强化类合金元素（Si、Zn、Co、Ni、Cu、Fe、Mg）；变质类合金元素（Sr、B、Sb、Sm、Ce、Y、La、Er）；过渡组合金元素（Zr、Ti、Sc、V、Mn、Cr）。

强化类合金元素中，Si含量最高达15%（质量分数，下同），其他元素含量最高设计为3%；而变质类和过渡族元素的最高含量均为1%。

实验将原料放进熔炼炉中加热至700℃，待合金完全熔化后进行充分搅拌，使合金成分均匀，静置保温15～20min后浇铸，得到薄壁试样（尺寸为：40mm×20mm×3mm），冷却后对其进行电导率的测试。

电导率按照GB/T12966标准采用FirstFD-101型涡流导电仪进行测量，先用砂纸将试样表面磨光滑，使用仪器前先进行校准，然后在样品正反表面共取10个点分别测量其电导率，并去掉最高值和最低值，取算术平均值作为该样品最终的电导率。

实验采用LeicaDMI3000-M型光学显微镜对合金试样进行组织特征的观察。

«——【·合金元素含量对电导率的影响·】——»

随着合金元素含量的增加，合金的电导率整体呈下降趋势，但不同的合金元素导致的电导率下降幅度有所不同。

为便于对比分析，本工作将纯铝和元素含量为1%时的铝合金电导率之差与元素含量（1%）之比的绝对值定义为电导率下降速率。

电导率对Si含量的一阶导数变化，随着Si含量的增加，Al-Si合金电导率呈指数下降，相应的降幅呈先增大后趋于平稳的趋势，结合Al-Si二元相图可知，Si在Al中的极限固溶度为1.65%。

当Si含量小于3%时，Al-Si合金电导率的降幅呈线性变化，此时Si元素主要固溶在Al基体中，对合金导电性能的影响较大。而当Si含量超过3%后，Al-Si合金电导率的降幅逐渐趋于平稳。

结合Al-Zn、Al-Mg和Al-Cu二元相图可知，Zn、Mg和Cu在Al中的极限固溶度较高，分别为32.4%、15.9%和5.7%。

它们对纯铝电导率的影响整体呈线性下降趋势，但相应的下降速率存在明显差异，分别为0.52MS/（m·%）、3.32MS/（m·%）和2.96MS/（m·%）。

而固溶度极低的强化类元素（Fe、Co、Ni）主要以长针状或骨骼状的第二相形态存在，纯铝电导率随着元素含量的增加呈近似线性下降趋势，最终趋于平稳，对应的电导率下降速率的大小排序依次为：Co＜Ni＜Fe。

类似地，变质类元素在Al中的固溶度几乎为零，其对Al的导电性能的影响也较小。

微量添加Sb或B能小幅度提高纯铝的电导率。变质元素La对纯铝电导率的影响相对较大，但其下降速率也仅为3.05MS/（m·%）。

值得注意的是，过渡族元素对铝合金导电性能的影响最为显著，使其普遍呈指数型快速下降趋势，且影响程度远大于强化类和变质类元素。

其中，Zr、Ti、Sc、V、Mn和Cr的下降速率分别为5.16MS/（m·%）、8.73MS/（m·%）、9.73MS/（m·%）、14.86MS/（m·%）、16.06MS/（m·%）和17.77MS/（m·%）。

«——【·合金元素对铝合金微观组织的影响·】——»

本工作对各元素加入后的组织进行了观测，随着不同合金元素的加入，纯铝的显微组织存在明显差异。将固溶度较大的元素加入纯铝中，合金中不会出现明显的第二相，随着元素含量的增加，合金中可能会析出少量的第二相。

相对地，固溶度较小的元素会在合金中析出点条状的第二相，并随着元素含量的增加逐渐连接成网状结构，如固溶度几乎为零的变质元素。

对于Al-xSi二元合金，随着Si含量的增加，Si相形貌发生明显的变化，由细小的层片状转变为粗大的板条状，并逐渐形成连续的网状共晶组织。

在Al-3Zn合金中没有第二相，而添加0.5%的Ni元素时，合金中析出点条状的第二相，随着纯铝中Ni含量的增加，第二相将由断续的点条状转变为连续的网状组织。

过渡族元素在Al中具有一定的固溶度，其中Mn对纯铝组织的影响如图2e所示，该元素主要固溶于Al基体中，在合金中仅存在少量细小的颗粒状Al-Mn相。

而变质类元素在Al中以第二相的形式存在，添加0.5%的Sr后在Al中生成了明显的网状第二相。

«——【·固溶类元素对电导率的影响·】——»

在实际凝固条件下，溶质元素在铝基体中的实际固溶度将不同程度地偏离平衡固溶度，即合金的实际固溶度比理论固溶度大。

从Al-Si合金电导率的一阶导数可以看出，当Si含量小于3%时，合金电导率的降幅呈线性增加的趋势。

此时Si主要固溶在Al基体中，导致基体发生严重的晶格畸变，并成为电子散射源，使自由电子在传递过程中受到严重的散射，减小了传导电子的平均自由程，从而降低合金的导电性能。

固溶型的元素对合金电导率有不同程度的影响，而非固溶型的元素主要以第二相的形式析出，对合金电导率的影响均相对较小，因此后文拟重点讨论固溶型元素（Si、Zn、Mg、Cu、Si、Zr、Ti、V、Cr、Mn）对铝合金导电性能的影响。

基于此，本工作采用比电阻率表征固溶型原子对合金导电性能的影响程度。比电阻率表示的是单位原子百分比（原子分数，%）的溶质原子固溶于基体后的合金电阻率变化量。

参照Al-Si合金电导率的一阶导数，选取各固溶型原子固溶在基体中时所对应的电导率线性变化阶段，并计算获得相应的电阻率，直线的斜率即固溶型元素对应的比电阻率。

固溶型的元素影响合金的导电性能，但不同固溶度的合金元素的比电阻率不同，对应比电阻率大小排序依次为：Zn＜Mg＜Cu＜Si＜Zr＜Ti＜V＜Cr＜Mn。

«——【·讨论·】——»

固溶类原子对纯铝导电性能的影响与元素类型密切相关，根据Matthissen定律：合金的电阻率是杂质、结构缺陷和晶格振动波（声子）对自由电子的散射引起的，在常温下电子-缺陷散射占主导地位。

不同的固溶型元素会使基体产生不同程度的晶格畸变，除了原子固溶度外，该差异与合金元素本身的物理性质有着密切的关系，包括溶质原子与基体原子之间的原子半径差（Δr）、化合价差异（ΔZ）和核外电子分布。

另外，元素与Al之间的凝固反应类型对铝合金的导电性能也有影响，可使其产生养差异。

在Al中固溶的元素会导致铝基体产生晶格畸变，对电导率的影响相比非固溶型元素更大，固溶度的大小与比电阻率之间并未形成明显规律，可见固溶度的大小不是造成合金电导率差异的主要因素。

当合金元素和基体的原子半径差异率不大于15%时，合金元素在Al中趋于以固溶形式存在，固溶原子与Al的原子半径差异率排序依次为Zn=Ti＜V＜Cu=Cr＜Mg=Zr＜Mn＜Si。

除了Si元素外，其他固溶型元素和基体的原子半径差异率均不大于15%，但其差异率大小与电导率下降程度之间并无直接关系，即原子半径差异率对铝合金电导率有一定影响，但不是主要控制因素。

Linde准则认为：固溶于基体的元素与基体原子的化合价相差越大，合金的电阻率ρ越大，这与基体的布里渊区有关。布里渊区是指在倒易空间所有倒易点阵矢量的垂直平分面所划分的区域，其大小只与晶格周期结构和价电子浓度有关。

当固溶型元素的化合价比Al小时，基体中每个原子拥有的平均自由电子数减少，对布里渊区产生压缩作用，导致其重叠程度减小。

反之布里渊区将向各个方向产生膨胀作用，使得重叠度增大，加剧基体的晶格畸变，化合价小的元素对铝合金电导率的影响较小，而Si和过渡族元素的化合价均比Al大，因此对纯铝电导率的影响较大，其化合价大小排序依次为Si（+4）=Zr（+4）=Ti（+4）＜V（+5）＜Cr（+6）＜Mn（+7）。

可见元素的化合价是影响合金电导率的主要控制因素之一。

同一电子亚层中的空位数增多将增强其吸收传导电子的能力，导致传导电子的数量减少，降低合金的导电能力，只有Zn和Mg的核外电子为全满状态，其他元素均存在核外电子空位数。

其中Cu的s层空位数为1，Si的p层空位数为4，其他元素的d亚层也均存在电子空位数，相对而言，d层电子空位数较多（≥5）的过渡族元素对应的比电阻率也较大，但核外电子布型对铝合金电导率的影响程度与具体的电子空位数之间并无明显关系，说明核外电子布型不是主要的控制因素。

与Al发生包晶反应的合金元素比发生共晶反应的元素对合金导电性能的影响更大。包晶反应（L+β→α）是受固相扩散控制的缓慢反应，在实际凝固条件下，溶质原子易固溶于α相中，导致合金电阻率增大。

而共晶反应（L→α+β）则同时从基体中析出α和β，能够最大程度地保证Al基体纯净，因此对自由电子的运动阻碍较少。

固溶型元素中Zr、Mn、V、Ti和Cr的反应类型均为包晶反应，具有包晶反应类型的元素同时具有更高的比电阻率。

根据实验得到的比电阻率规律发现，固溶型元素对应的比电阻率大小与其对铝合金电阻率的影响程度相关，且依次为Zn＜Mg＜Cu＜Si＜Zr＜Ti＜V＜Cr＜Mn。

Zn的各项性质均处于影响较小的范围内，其化合价比Al小1，且与Al原子的半径差异率仅为3%，同时核外电子排布稳定，因此Zn的整体影响程度最小，Mg的其他性质与Zn相似，但与Al原子的半径差异率略大于Zn。

类似地，Cu的核外电子空位数为1，而Si的电子空位数为4，且化合价比Al大1。相较而言，过渡族元素的各项性质均处于影响较大的范围，对应的化合价均不小于3，且反应类型为包晶反应，d亚层的电子空位数不小于5，从而导致其比电阻率比上述其他元素大。

因此过渡族元素对合金电导率的影响较大，尤其是Mn和Cr，它们的加入会导致合金电导率快速下降，在导电铝合金的设计中应将其视为杂质元素，并尽量避免引入。

综上，固溶类元素对合金导电性能的影响是由多种因素共同作用所致，其中，元素化合价和凝固反应类型对其影响较大，对导电性能的不利影响起主导作用，其次是核外电子排布，而固溶度的大小和原子半径差异率对合金电导率的影响较小，无明显规律。

«——【·结论·】——»

铝合金的电导率均随着合金元素的加入而逐渐下降。固溶度几乎为零的变质类元素在Al中以第二相形式析出，对电导率的影响均较小，下降速率最快的La也仅为3.05MS/（m·%）。

而具有一定固溶度的强化类元素和过渡族元素对电导率的影响则存在不同程度的差异，其中，过渡族元素对其影响尤为显著，如Mn、Cr，在固溶型元素中，影响最小的Zn和影响最大的Mn的下降速率分别为0.52MS/（m·%）和17.77MS/（m·%）。

固溶型元素对合金电阻率的影响是多种因素共同作用的结果。其中，化合价差异（ΔZ）和凝固反应类型起主要控制作用，其次是核外电子分布，而固溶度和原子半径差（Δr）也存在一定影响。

化合价大于Al的合金元素会导致Al基体中每个原子拥有的平均自由电子数增加，此时布里渊区向各个方向产生膨胀作用和重叠，使基体的晶格畸变加剧，导致合金的电导率快速下降。

过渡族元素的化合价均不小于3，发生包晶反应，促使Al基体发生严重的晶格畸变且d层电子空位数均不小于5，这几种因素共同作用导致合金的电导率快速下降，高导电铝合金的设计中应尽量避免Mn、Cr和V等过渡族元素的加入。

«——【·参考文献·】——»

[1]严康骅．高导电率硬铝导体材料研究．硕士学位论文，华北电力大学（北京），2016．

[2]唐仁政，田荣璋．二元合金相图及中间相晶体结构，中南大学出版社，2009．

[3]胡增福,王晓宾,林永谓,等：聚合物基复合材料[J].高分子材料,1992,12（1）：22-292

[3]陈祥宝.先进树脂基复合材料扩大应用的关键[J].高科技纤维与应用,2002,27（6）：1-5.

[4]严旭,廖振魁.复合材料零件表面喷涂铝涂层工艺[J]洪都科技，1999，11（4）：6-11.41.

[5]吴利英，高建军,勒武刚.复合材料表面金属化技术一金属喷涂转移法[J].塑料科技,2002,150（6）：33-34.