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纳孔方钴矿热电材料力学行为的分子动力学研究

李文娟  
【摘要】:热电材料是利用Seebeck效应实现热能与电能之间相互转换的新型功能材料,利用热电材料制作的器件无污染、安全可靠,具有广阔的应用前景。方钴矿CoSb3热电材料是我国以及国际上高度重视研究的热电材料,在方钴矿CoSb3热电材料中引入纳米孔洞可以显著降低材料的热导率从而提高其热电性能,纳孔方钴矿材料被认为是很有应用前景的热电材料,但是纳米孔洞的引入会降低材料的力学性能,从而限制方钴矿材料的工业化应用。鉴于此,本文以纳孔方钴矿热电材料为研究对象,利用课题组前期建立的方钴矿原子间相互作用势函数,发展纳孔方钴矿热电材料单轴拉伸和压缩力学行为的分子动力学方法,分别研究单轴拉伸和压缩应力场下纳孔形状和孔隙率对方钴矿材料本征力学行为的影响规律,从原子尺度上研究并揭示纳孔方钴矿材料单轴拉伸和压缩应力场下的结构破坏机理,探索具备高力学性能纳孔方钴矿材料的孔隙率、纳孔形状的匹配关系,为发展高力学性能的纳孔方钴矿热电材料提供理论指导。纳米柱孔方钴矿CoSb3的力学性能研究结果表明,外部加载条件如温度和应变率对力学性能影响很小,但是孔隙率对拉伸/压缩力学性能影响很大。相对于环境温度和孔隙率,纳米柱孔主宰着单晶CoSb3的缺陷形式,拉伸/压缩力学性能随着孔隙率的增加逐渐降低,弹性模量与孔隙率满足反比例函数关系式。极限应力随着孔隙率的增加线性降低。纳米球孔方钴矿CoSb3力学性能研究结果表明,球孔力学性能优于柱孔CoSb3的力学性能,这主要是由于柱孔CoSb3更多的应力集中区域导致的。随着孔隙率的增加,所有的力学量依次降低。球形纳孔方钴矿CoSb3表现出相同的温度软化效应。这种软化效应随着拉伸应变的增加逐渐加剧。应变率基本对纳米球孔方钴矿CoSb3的拉伸/压缩弹性模量和拉伸/压缩极限应力无影响。


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