Mg2Si熱電材料熱力學行為的分子動力學研究.pdf

1、熱電材料作為一種能夠實現熱能和電能直接相互轉換的新能源材料，受到越來越多的關注。Mg2Si基熱電材料由于其原料來源廣泛、成本經濟、無毒和具有較高的熱電性能等特點，一直是國內和國際的研究熱點，具有很好的工業(yè)化應用前景。但是熱電材料在服役過程中要遭受循環(huán)溫度變化和循環(huán)熱應力的作用，其熱力學性質和力學性能是保證材料服役行為的重要指標。所以研究其熱力學性質和力學性能對熱電器件的設計和可靠性評價具有重要意義。
　　本文擬采用分子動力學方法，

2、以研究單晶Mg2Si熱電材料熱力學性質和基本力學性能為目標，開展了一系列的研究工作。
　　由于原子間相互作用勢是分子動力學分析的基礎問題，論文首先根據Mg2Si晶體結構特征和成鍵形式，研究并建立了能夠合理描述Mg2Si化合物原子間相互作用的多體作用勢模型。然后采用分子動力學方法對Mg2Si的結構參數、彈性性質、熱膨脹系數、熱容和熱導等性質進行計算，并和已有的實驗和第一性原理值對比，驗證作用勢的可靠性。
　　采用所建立的多體作

3、用勢，進行了理想結構的Mg2Si熱電材料基本力學性能的分子動力學研究。首先模擬了常溫下單晶塊體Mg2Si的單軸拉伸變形過程，根據應力—應變曲線和原子構型演化分析，獲得了單晶塊體Mg2Si的基本力學性能，然后又具體探討了溫度和應變率因素對其力學行為影響的一般規(guī)律。同時，論文也模擬了不同結構尺度(塊體、納米膜、納米線)下的Mg2Si熱電材料的單軸拉伸變形過程，探討了結構維數變化對材料基本力學性能的影響。
　　由于Mg2Si中的Mg原子

4、活性很高并極易揮發(fā)從而導致晶體結構中的Mg缺位，而Mg缺位對材料性能的影響難以通過實驗方法進行定量研究，論文通過分子動力學模擬研究了Mg原子缺位對Mg2Si熱電材料的晶格熱導率和基本力學性能的影響。假設缺位的Mg原子為隨機分布，采用非平衡態(tài)分子動力學方法對缺位模型進行熱傳導模擬，獲得了不同缺位率下的單晶塊體Mg2Si的晶格熱導率的變化規(guī)律。同時模擬了單晶塊體Mg2Si在不同缺位率情況下的單軸拉伸過程，獲得了缺位對Mg2Si熱電材料基本力

5、學性能的影響規(guī)律。結果表明，缺位會使單晶塊體Mg2Si的晶格熱導率大幅度降低，但同時也在一定程度上降低了其極限強度值。
　　理論和實驗研究表明，在材料中引入納米尺度微孔有可能顯著降低材料的熱導率，本文通過對含納米孔洞的單晶塊體Mg2Si熱電材料進行分子動力學模擬，系統(tǒng)研究并揭示了納米尺度微孔的存在對材料晶格熱導率和基本力學性能的影響規(guī)律。結果表明，在孔洞均勻分布的條件下，引入納米尺度微孔是降低該材料晶格熱導率的有效途徑，而且增大孔