初始裂纹对锑化钴热电材料断裂行为影响的微观模拟开题报告

 2020-02-10 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

化石燃料的快速消耗正在造成包括全球气候变化在内的严重环境影响,迫切需要发展可再生能源技术。因为热电发电装置能将废热转换为电能,这对于全球能量的可持续利用有很大的帮助,现主要应用于深空探测器、航天探测器、工业余热回收利用、太阳能高效光热-热电复合发电等重要新能源方向。热电材料也被应用于通电制冷等领域,没有氟利昂制冷所带来的环境污染,能够有效的缓解能源消耗和污染。热电发电效率主要由材料的无量纲性能优值zt决定, zt= (s2σ/κ) t,常见的改善zt值的策略有两种,一种是通过掺杂和能带工程,调控迁移率和载流子浓度,改变态密度有效质量,进而最大化功率因子。另一种策略是通过纳米结构或声子工程降低晶格热导率。调控载流子浓度,常见的方法是通过掺杂,但掺杂过程不可避免地引入了晶格缺陷和畸变,这极大地影响了材料的物理性质。

热电领域已经有70年的发展历史,bi2te3热电材料已经得到了商业化应用,转换效率低下、成本较高,这对于该材料的扩大化应用造成了很大的影响。上世纪90年代,世界范围内对于热电领域的研究重新掀起了高潮,具有纳米结构的方钴矿热电材料作为一种具有潜在应用价值的新型中温热电材料,也吸引了研究人员的极大兴趣。过去二十年里,各种材料的热电性质系数()有了显著的提高,这一提高通过同时提高一些材料的功率系数()和降低热导率(),例如pbte、cosb3、bi2te3、mg2si的混合物和half-heusler合金。然而,热电材料在实际服役环境中需要承受循环温度变化,温度载荷和由此引起的热应力会对热电材料的性能产生严重影响,甚至会出现微观尺度上的裂纹,这些微结构缺陷导致材料性能加剧恶化。

具有skutterudite晶体结构的热电材料,又称为方钴矿材料,最初在挪威小镇skutterudite以矿物形式被发现的,是一类通式为mx3的化合物(其中m是金 属元素,如ir、co、rh、fe等;x是v族元素,如p、 as、sb等)。方钴矿的晶体结构为体心立方晶体结构,一个单位晶胞包含了8个ab3分子,共32个原子,每个晶胞内有两个较大的空隙,通过往空隙内填充原子形成填充式方钴矿,降低晶格热导率,而电子输运情况基本不受影响。

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2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

以锑化钴(cosb3)为代表的方钴矿化合物是一类重要的中温热电材料。由于在制备和服役过程中极易出现裂纹,需要了解锑化钴的力学行为与微结构缺陷的关系。本课题将采用分子动力学方法,对含纯i型穿透裂纹的单晶块体cosb3热电材料进行微观模拟计算。采用位移加载,在外力作用下观察原子构型演化,获得裂纹扩展临界点。结合理论公式获得相关断裂参数。揭示原子尺度下锑化钴热电材料的裂纹扩展规律。

2.2技术方案

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,明确研究内容,基本确立研究思路,完成开题报告。

第4-5周:建立含裂纹的cosb3原子模型。

第6-8周:建立cosb3力学行为模拟的分子动力学模拟方法。

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4. 参考文献(12篇以上)

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