CoSb3熱電材料的分子動(dòng)力學(xué)模擬研究.pdf

1、方鈷礦化合物是一類(lèi)重要的中溫?zé)犭姴牧?，其熱電性能?yōu)值ZT已達(dá)到1.7～1.8，在中溫區(qū)(250～600℃)熱電發(fā)電方面具有廣泛的應(yīng)用前景。在實(shí)際服役環(huán)境中，方鈷礦熱電材料及其器件將承受循環(huán)溫度變化和循環(huán)熱應(yīng)力的共同作用，其熱力學(xué)和力學(xué)性能的研究對(duì)器件的設(shè)計(jì)及可靠性評(píng)價(jià)具有重要意義。
　　 論文以發(fā)展方鈷礦熱電材料CoSb3的分子動(dòng)力學(xué)分析方法，研究理想結(jié)構(gòu)的CoSb3材料的熱力學(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。

2、
　　 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，論文研究并建立了兩種能夠描述CoSb3化合物原子間相互作用的作用勢(shì)模型。首先采用兩體作用勢(shì)函數(shù)模型，即Morse勢(shì)函數(shù)模型。根據(jù)作用勢(shì)與材料基本物理性質(zhì)之間的關(guān)系，分別確定了Co-Co、Sb-Sb、Co-Sb原子對(duì)的勢(shì)參數(shù)。通過(guò)驗(yàn)證，該兩體勢(shì)在30K低溫時(shí)能使晶體保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但在中溫區(qū)域晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生紊亂?？紤]到兩體勢(shì)函數(shù)模型的局限性，論文進(jìn)而根據(jù)CoSb3化合物的晶體結(jié)構(gòu)

3、特征和成鍵形式，建立了CoSb3化合物的多體作用勢(shì)模型，該模型將鍵角的三體相互作用考慮進(jìn)來(lái)了。經(jīng)測(cè)試，該三體勢(shì)不僅能使CoSb3在其工作的中溫區(qū)域保持穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，而且預(yù)測(cè)的基本物理性質(zhì)都與已有的實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果非常吻合。
　　 采用所建立的三體作用勢(shì)模型，進(jìn)行了理想結(jié)構(gòu)的CoSb3熱電材料基本力學(xué)性能的分子動(dòng)力學(xué)研究。首先模擬了不同溫度下單晶塊體CoSb3的單軸拉伸和壓縮變形過(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

4、CoSb3的基本力學(xué)性能，探討了溫度對(duì)其力學(xué)行為影響的一般規(guī)律。同時(shí)，論文也模擬了不同的結(jié)構(gòu)尺度(塊體、納米膜、納米線、納米顆粒)下CoSb3熱電材料的單軸拉伸和壓縮變形過(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CoSb3中的Sb原子極易揮發(fā)從而導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)中的Sb缺位，而Sb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Sb原子缺位對(duì)CoSb3熱電材料的晶格熱導(dǎo)率和基本力學(xué)性

5、能的影響。假設(shè)缺位的Sb原子為隨機(jī)分布，采用速度交換方法對(duì)缺位模型進(jìn)行熱傳導(dǎo)模擬，獲得了不同缺位率情況下單晶塊體CoSb3的晶格熱導(dǎo)率的變化規(guī)律。在不同缺位率情況下，模擬了單晶塊體CoSb3的單軸拉伸和壓縮過(guò)程，獲得了缺位對(duì)CoSb3熱電材料基本力學(xué)性能的影響規(guī)律，同時(shí)也探討了缺位分布均勻性的影響。結(jié)果表明，缺位會(huì)使單晶塊體CoSb3的晶格熱導(dǎo)率顯著降低，但同時(shí)也大大降低了其極限強(qiáng)度值。
　　 最新的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，在材料中