四川理工-材料物理性能-擴(kuò)展-熱電材料

1、熱電材料(cilio)共二十七頁熱電材料(cilio)基本原理共二十七頁熱電材料(cilio)基本原理共二十七頁熱電材料(cilio)基本原理共二十七頁熱電材料(cilio)基本原理共二十七頁熱電材料(cilio)的應(yīng)用共二十七頁熱電材料(cilio)的應(yīng)用熱電致冷：體積小重量輕結(jié)構(gòu)簡單堅固耐用無需運(yùn)動(yndng)部件無磨損無噪音共二十七頁熱電材料(cilio)的應(yīng)用美國(mi u)、德國、日本、韓國等汽車公司（ GM、 BMW、HONDA、大眾、現(xiàn)代等）正在開展相關(guān)研發(fā)工作，可節(jié)省油耗5%；國內(nèi)相關(guān)研究剛剛起步（上汽）利用燃燒熱、地?zé)?、體表溫差等熱源，為野外作業(yè)、偏遠(yuǎn)山區(qū)、小型電器、植入式

2、醫(yī)療器械等提供電能共二十七頁共二十七頁地?zé)?dr)1、國內(nèi)外現(xiàn)狀(xinzhung)共二十七頁1、國內(nèi)外現(xiàn)狀(xinzhung)熱電器件的轉(zhuǎn)化效率(xio l)的最大值只有10%左右，這遠(yuǎn)低于普通熱機(jī)的40%的轉(zhuǎn)換效率(xio l)。Seebeck 系數(shù)電導(dǎo)率溫差熱導(dǎo)率共二十七頁Mg2Si的研究方向1、熱電性能2、服役(f y)環(huán)境中的力學(xué)行為1、國內(nèi)外現(xiàn)狀(xinzhung)共二十七頁1、國內(nèi)外現(xiàn)狀(xinzhung)熱電原件在循環(huán)(xnhun)熱載荷作用下將發(fā)生熱膨脹或收縮，而器件的熱膨脹或收縮并不是自由的，受到一定的約束作用。由于不同的材料其熱膨脹系數(shù)相差很大，此時將產(chǎn)生循環(huán)(xnhun

3、)熱應(yīng)力，器件內(nèi)高溫部分應(yīng)力較大，尤其是在界面上，由于存在嚴(yán)重的熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致應(yīng)力很大。其中溫度載荷的最大值可以達(dá)到500-600 ，而由溫度載荷引起的熱應(yīng)力的最大值可能超過材料的強(qiáng)度極限，造成熱電材料或器件出現(xiàn)破壞。應(yīng)力分布情況共二十七頁2、Mg2Si的基本(jbn)力學(xué)性能塊體(kui t)共二十七頁2、Mg2Si的基本(jbn)力學(xué)性能塊體(kui t)共二十七頁2、Mg2Si的基本(jbn)力學(xué)性能塊體(kui t)在應(yīng)變很小的情況下呈線性增加;隨著應(yīng)變的增大，在達(dá)到極限應(yīng)變時，應(yīng)力突然將為零，出現(xiàn)斷裂破壞應(yīng)力隨應(yīng)變呈非線性增大;通過應(yīng)力一應(yīng)變曲線可以看出，Mg2Si單晶塊體在不

4、同溫度下的拉伸力學(xué)行為表現(xiàn)為脆性材料。共二十七頁2、Mg2Si的基本(jbn)力學(xué)性能塊體(kui t)變形速度共二十七頁2、Mg2Si的基本(jbn)力學(xué)性能薄膜共二十七頁2、Mg2Si的基本(jbn)力學(xué)性能納米線共二十七頁2、含空位(kn wi)Mg2Si的力學(xué)性能20000步以前，單個原子勢能波動很大，這表明系統(tǒng)還不穩(wěn)定。由于Mg原子的缺失，有些原子的近鄰作用將會缺失，原子在新的近鄰原子的作用下，將重新尋找新的平衡位置。當(dāng)時間步在20000以后時，單個原子平均勢能曲線不再波動，呈水平直線，說明此時系統(tǒng)在經(jīng)過足夠時間步的弛豫以后，各個原子己經(jīng)到達(dá)了新的平衡位置，整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。隨著

5、原子的缺位率的增大，其單個原子的勢能變大的趨勢(qsh)。表明空位缺陷的出現(xiàn)使得結(jié)構(gòu)中原子的勢能變大，晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性減弱。共二十七頁空位對Mg2Si材料(cilio)的熱導(dǎo)率有很大的影響，較小比例的空位出現(xiàn)，可以大幅度地降低Mg2Si單晶材料的晶格熱導(dǎo)率。在空位比例從0%到5%變化的過程中，單晶Mg2Si材料的晶格熱導(dǎo)率降低了92%。2、含空位(kn wi)Mg2Si的力學(xué)性能共二十七頁2、含空位(kn wi)Mg2Si的力學(xué)性能共二十七頁2、含微孔(wi kn)Mg2Si的力學(xué)性能共二十七頁2、含微孔(wi kn)Mg2Si的力學(xué)性能共二十七頁2、含微孔(wi kn)Mg2Si的力學(xué)性能共

6、二十七頁2、含微孔(wi kn)Mg2Si的力學(xué)性能增強(qiáng)熱電材料的熱電性能的有效方式是降低其晶格熱導(dǎo)率。所以在實際的實驗中往往會在材料中引入納米尺度孔洞，增強(qiáng)聲子散射，達(dá)到降低晶格熱導(dǎo)率的目的。但是納米孔洞的引入會對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響，近而影響材料的力學(xué)性能。所以本文對含納米孔洞的單晶塊體Mg2Si熱電材料的熱傳導(dǎo)過程和單軸拉伸過程進(jìn)行模擬，重點(diǎn)研究(ynji)不同的孔隙率和孔徑對材料晶格熱導(dǎo)率和基本力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，引入納米孔洞的缺陷以后，Mg2Si材料的晶格熱導(dǎo)率出現(xiàn)大幅度降低。較小的孔隙率(3%)的出現(xiàn)能夠引起單晶塊體Mg2Si晶格熱導(dǎo)率超過50%的降幅。在孔洞均勻分布的條

7、件下，增加孔徑和增加孔隙率會使晶格熱導(dǎo)率的降幅更為顯著;同時納孔的引入也降低了Mg2Si晶格的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其拉伸力學(xué)性能退化。其中彈性模量和孔隙率滿足反比例函數(shù)關(guān)系。隨著空隙率的增大，彈性模量緩慢降低，但是降低的幅度不大。但是孔洞缺陷的存在對極限強(qiáng)度的影響非常顯著，較小孔隙率(C 3%)能顯著降低其極限強(qiáng)度（60%）。在孔隙率一定和納孔均勻分布的條件下，采取小孔能改善其力學(xué)性能。共二十七頁內(nèi)容摘要熱電材料。熱電器件的轉(zhuǎn)化效率的最大值只有10%左右，這遠(yuǎn)低于普通熱機(jī)的40%的轉(zhuǎn)換效率。熱電原件在循環(huán)熱載荷作用下將發(fā)生熱膨脹或收縮，而器件的熱膨脹或收縮并不是自由的，受到一定的約束作用。隨著原子的缺位率的增大，其單個原子的勢能變大的趨勢。表明空位缺陷的出現(xiàn)使得結(jié)構(gòu)中原子的勢能變大，晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性減弱。在空位比例從0%到5%變化的過程中，單晶Mg2Si材料的晶格熱導(dǎo)率降低了9