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锑缺位方钴矿CoSb_3材料热导率及力学性能的分子动力学研究

刘姿  
【摘要】:热电材料是一类可实现热能和电能直接转换的功能材料,在热电发电及热电制冷领域拥有广阔的应用前景。方钴矿(CoSb_3)材料是目前最接近规模化应用的中温区热电材料,其最高工作温度可达800K左右。在方钴矿材料的制备和服役过程中,锑(Sb)元素的挥发将引起晶格中Sb位的原子缺位,形成晶格点缺陷,进而影响材料的热学和力学性能。本文利用分子动力学模拟,系统研究揭示锑缺位对方钴矿材料晶格热导率和力学性能的影响规律,为材料的工程应用提供理论指导。针对锑缺位对晶格热导率的影响,通过非平衡分子动力学方法,系统研究了具有不同锑缺位率、不同锑缺位分布形式的理想单晶块体方钴矿材料的晶格热导率,并讨论了温度效应,揭示了锑缺位对晶格热导率的影响规律。分析结果表明,锑缺位显著降低材料的晶格热导率,相比于无缺位理想单晶块体方钴矿材料,锑缺位4.0%的方钴矿材料的晶格热导率从9.92 W/mK降低至3.43W/mK,锑缺位的存在改变Sb四原子环的固有振动模式,增强了声子散射,导致晶格热导率降低。在相同缺位率和温度条件下,缺位分布越均匀,晶格热导率越高,缺位率为4.17%时,缺位均匀分布材料的晶格热导率为3.74 W/mK,而缺位非均匀分布材料的热导率最低为2.09 W/mK,当缺位分布不均匀时,更多相关声学支被缺位散射,导致热导率更低。温度从300 K升高至800 K时,无缺位材料晶格热导率从6.65 W/mK降低至3.68 W/mK,4.17%锑缺位(均匀分布)材料的晶格热导率从3.74 W/mK降低至2.51 W/mK,温度升高,缺位对材料晶格热导率的影响逐渐减小。针对锑缺位对力学性能的影响,研究了缺位对拉伸性能和剪切性能的影响。利用分子动力学模拟,探讨不同缺位率、不同缺位分布形式、不同温度下的拉伸力学性能,和不同缺位率、不同温度下的剪切力学性能。结果表明,相较于无缺位模型,4.0%缺位的单晶方钴矿单轴极限拉伸强度从19.39 GPa降低至15.65GPa,极限剪切强度从17.27 GPa降低至13.40 GPa,弹性模量及剪切模量也有所下降。拉伸和剪切破坏形式均为明显的脆断,多源于缺位位置,其原因是:锑缺位破坏了Sb四原子环的结构完整性,缺位处的Sb-Sb键消失、相邻Sb-Sb键发生变化,缺位处Sb四原子环成为潜在裂纹源,随应变逐渐增加,裂纹扩展直至破坏,缺位原子愈多,强度越弱。温度从300 K升高至800 K时,无缺位CoSb_3极限拉伸强度从19.39 GPa降低至18.06 GPa,极限剪切强度从17.27 GPa降低至16.23 GPa。缺位分布形式对拉伸力学性能的影响非常明显,缺位分布的均匀性越差,材料的强度越低,因为缺位在局部聚集,使裂纹更容易形成并扩展,最终导致晶体结构失效破坏。


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