Mg2Si熱電材料熱力學(xué)行為的分子動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、熱電材料作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的新能源材料，受到越來(lái)越多的關(guān)注。Mg2Si基熱電材料由于其原料來(lái)源廣泛、成本經(jīng)濟(jì)、無(wú)毒和具有較高的熱電性能等特點(diǎn)，一直是國(guó)內(nèi)和國(guó)際的研究熱點(diǎn)，具有很好的工業(yè)化應(yīng)用前景。但是熱電材料在服役過(guò)程中要遭受循環(huán)溫度變化和循環(huán)熱應(yīng)力的作用，其熱力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能是保證材料服役行為的重要指標(biāo)。所以研究其熱力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性能對(duì)熱電器件的設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)價(jià)具有重要意義。
　　本文擬采用分子動(dòng)力學(xué)方法，

2、以研究單晶Mg2Si熱電材料熱力學(xué)性質(zhì)和基本力學(xué)性能為目標(biāo)，開(kāi)展了一系列的研究工作。
　　由于原子間相互作用勢(shì)是分子動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)問(wèn)題，論文首先根據(jù)Mg2Si晶體結(jié)構(gòu)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(shì)模型。然后采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)Mg2Si的結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈性性質(zhì)、熱膨脹系數(shù)、熱容和熱導(dǎo)等性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算，并和已有的實(shí)驗(yàn)和第一性原理值對(duì)比，驗(yàn)證作用勢(shì)的可靠性。
　　采用所建立的多體作

3、用勢(shì)，進(jìn)行了理想結(jié)構(gòu)的Mg2Si熱電材料基本力學(xué)性能的分子動(dòng)力學(xué)研究。首先模擬了常溫下單晶塊體Mg2Si的單軸拉伸變形過(guò)程，根據(jù)應(yīng)力—應(yīng)變曲線和原子構(gòu)型演化分析，獲得了單晶塊體Mg2Si的基本力學(xué)性能，然后又具體探討了溫度和應(yīng)變率因素對(duì)其力學(xué)行為影響的一般規(guī)律。同時(shí)，論文也模擬了不同結(jié)構(gòu)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(guò)程，探討了結(jié)構(gòu)維數(shù)變化對(duì)材料基本力學(xué)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(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)中的Mg缺位，而Mg缺位對(duì)材料性能的影響難以通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行定量研究，論文通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬研究了Mg原子缺位對(duì)Mg2Si熱電材料的晶格熱導(dǎo)率和基本力學(xué)性能的影響。假設(shè)缺位的Mg原子為隨機(jī)分布，采用非平衡態(tài)分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)缺位模型進(jìn)行熱傳導(dǎo)模擬，獲得了不同缺位率下的單晶塊體Mg2Si的晶格熱導(dǎo)率的變化規(guī)律。同時(shí)模擬了單晶塊體Mg2Si在不同缺位率情況下的單軸拉伸過(guò)程，獲得了缺位對(duì)Mg2Si熱電材料基本力

5、學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，缺位會(huì)使單晶塊體Mg2Si的晶格熱導(dǎo)率大幅度降低，但同時(shí)也在一定程度上降低了其極限強(qiáng)度值。
　　理論和實(shí)驗(yàn)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(dǎo)率，本文通過(guò)對(duì)含納米孔洞的單晶塊體Mg2Si熱電材料進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬，系統(tǒng)研究并揭示了納米尺度微孔的存在對(duì)材料晶格熱導(dǎo)率和基本力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)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(dǎo)率的有效途徑，而且增大孔