热电材料可以实现热能和电能之间直接相互转换，引起了研究者广泛关注。热电优值（zT）是衡量材料热电能源转化效率的重要指标。基于Mg₂Si和Mg₂Sn的镁基热电合金具有储量丰富、无毒、低成本和环保等优点，但与商用铅（Pb）和碲（Te）基合金相比，其热电优值目前还不够高。其中，主要原因之一是镁过量添加会导致镁基体相较多，从而形成粗大的铸态晶粒组织，导致热导率增加，泽贝克系数降低，最终使得合金的热电性能恶化。通常可通过塑性变形提高商用热电合金的热电性能，这主要是因为塑性变形增加了声子散射中心的密度，从而降低了热导率。然而，目前尚无文献探讨塑性变形对Mg₂Sn合金微观结构和热电性能的影响。

近日，来自澳大利亚迪肯大学的Rameshkumar Varma博士和Matthew Barnett教授等人通过射频感应铸造工艺制备了添加2 wt.%、6.7 wt.%和10.8 wt.% Mg的Mg₂Sn（Mg-71 wt.%Sn）合金（分别命名为2Mg、6.7Mg和10.8Mg合金），并在室温、473 K、573 K、673 K温度下进行压缩试验，研究了合金微观组织和热电性能的变化规律。结果发现，压缩变形后，6.7Mg合金的晶粒尺寸从铸态的500 µm细化至变形后的约10 – 16 µm，Mg₂Sn相由于动态回复形成了大量的亚结构，最终明显改善了Mg₂Sn合金的热电性能。

本文研究了过量镁添加以及温度变化对Mg₂Sn合金变形能力的影响。化学计量比的Mg₂Sn由于具有强共价键，通常表现出较大脆性。10.8Mg合金在不同温度下的压缩应力-应变曲线如图1a所示。室温压缩时，其最大真应力达到345 MPa，在应变达到0.13后出现断裂，如表1所示。随着变形温度升高，Mg₂Sn合金的最大压缩真应力减小，塑性变形能力增强。2Mg、6.7Mg合金在变形前后的照片如图1b所示，可以观察到，在2Mg合金中存在较多、较大的裂纹，而6.7Mg合金的裂纹较少，这主要是由于在特定的温度和应变条件下，过量镁浓度越高，基体中较软的镁相越多，从而使得合金的塑性变形能力提高。

表1 Mg₂Sn合金在不同温度下的真应力与真应变

图1 (a) 10.8Mg合金的应力-应变曲线，(b) 2Mg和6.7Mg合金变形前后宏观照片(20 mm³)

本文还对比了2Mg和6.7Mg合金在673 K压缩变形前后的微观组织，如图2所示。其中较暗的相为镁相，白色的相为Mg₂Sn相。压缩变形后，2Mg合金中心区域的晶粒明显细化，平均晶粒尺寸约4 µm；而边缘处应力水平较低，因此平均晶粒尺寸较大，约为8 µm。另外，采用EBSD表征了2Mg、6.7Mg和10.8Mg合金中心区域的显微组织，如图3所示。其中Mg₂Sn和Mg相分别用粉红色和绿色标示，取向差为2º、5º的亚晶界、高角度晶界(> 15º)分别以红线、蓝线、黑线表示。结果表明，高温下压缩后的Mg₂Sn相中存在大量的小角度晶界(2 – 5º和5 – 15º)，形成了相对无应变的晶粒/亚晶粒胞状结构，具有典型的动态回复特征；而Mg相无明显的取向差变化，这主要是由于Mg相的塑性随着温度升高而提升，故其变形程度高于Mg₂Sn相。

图2 2Mg和6.7Mg的微观组织：(a,d) 铸态，(b,e) 673 K变形后的中心区域，(e,f) 673 K变形后的边缘区域

图3 (a) 2Mg、(b) 6.7Mg和 (c) 10.8Mg合金在673 K压缩至真应变为1时的EBSD图，(d)沿压缩方向和垂直压缩方向测量的Mg₂Sn相的晶粒尺寸

热压缩后6.7Mg合金的热电性能随温度的变化关系如图4所示。在323 K时，铸态合金的热导率为15.5 W m^-1 K^-1（图4a），而压缩变形后基体中存在的大量晶界/亚晶界加剧了声子散射，使得热导率显著降低（6.2 W m^-1 K^-1）。在323 K时，铸态合金的电导率为8.7 × 10⁵ Ω^-1 m^-1（图4b），而变形合金的电导率有所降低，为5.1 × 10⁵ Ω^-1 m^-1。此外，铸态合金的泽贝克系数在低于473 K时为正值，更高温度下变为负值，而变形合金的泽贝克系数在整个温度测试范围内均为负值。随着温度升高，变形合金的泽贝克系数绝对值相比铸态合金的有所增加。最后，在较高温度下，变形合金的功率因子和zT相较于铸态合金的均有所增加。在723 K时，变形合金的功率因子和zT分别增加为铸态合金相应性能的1.3倍和3倍，这表明压缩变形有效提升了Mg₂Sn合金的热电性能。

图4 6.7Mg合金的(a) 热导率，(b) 电导率，(c) 泽贝克系数，(d) 功率因子和(e) 热电优值随温度的变化关系，其中空心和实心符号分别对应于加热和冷却曲线

声明：以上所有内容源自各大平台，版权归原作者所有，我们对原创作者表示感谢，文章内容仅用来交流信息所用，仅供读者作为参考，一切解释权归镁途公司所有，如有侵犯您的原创版权请告知，经核实我们会尽快删除相关内容。鸣谢：镁途公司及所有员工诚挚感谢各位朋友对镁途网站的关注和关心，同时，也诚挚欢迎广大同仁到网站发帖、投稿.