【摘 要】
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热电材料是一种安全稳定的环境友好型能源材料,能实现热能与电能的直接转化。CoSb3作为中温区性能最佳的热电材料之一,受到学者们的重点关注。然而较高的热导率导致该材料热电性能并不理想,为此许多研究人员致力于通过降低CoSb3的热导率来改善其热电性能。研究表明,在结构中引入纳米孔可以有效降低材料的热导率。但由于纳米孔洞的引入,会显著降低材料的力学性能,从而限制了CoSb3的工业化应用,因此探究纳米孔洞
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热电材料是一种安全稳定的环境友好型能源材料,能实现热能与电能的直接转化。CoSb3作为中温区性能最佳的热电材料之一,受到学者们的重点关注。然而较高的热导率导致该材料热电性能并不理想,为此许多研究人员致力于通过降低CoSb3的热导率来改善其热电性能。研究表明,在结构中引入纳米孔可以有效降低材料的热导率。但由于纳米孔洞的引入,会显著降低材料的力学性能,从而限制了CoSb3的工业化应用,因此探究纳米孔洞对CoSb3基本力学性能的影响是具有实际意义的。本文研究了纳米孔对CoSb3热电材料力学性能的影响,采用Morse势表达两个原子间的相互作用,Cosine-square势表达原子间键角的相互作用,建立了具有纳米孔的CoSb3单轴拉伸行为的分子动力学模拟方法。研究在孔隙率一致的前提下,不同晶向、不同孔径纳孔CoSb3热电材料的拉伸力学性能。在模拟的基础上,分析同孔隙率下不同孔径的CoSb3模型在拉力作用下的应力分布情况;并将模拟计算结果通过函数拟合方法,得到孔径趋于无限大时的极限应力,并将它与宏观尺度下的小孔洞模型的力学响应结果进行对比,分析模拟计算的准确性。在进一步加载过程中,通过观察孔洞附近原子的运动趋势及原子键的破坏顺序,分析纳米尺度下孔洞材料在单轴拉伸应力下的破坏机理。沿[100]晶向单轴拉伸计算结果表明,孔洞的存在对CoSb3的拉伸力学性能有明显的削弱。弹性模量与孔径大小无关,拉伸极限应力随着孔径的增加而减小,当孔径趋向于无限大时,极限拉伸应力将趋向于一个定值11.91GPa,相对于理想块体的极限应力(22.27GPa)降低了46.03%。拉伸过程中原子的应力分布与宏观孔边应力集中现象中的应力分布情况一致。通过对孔边原子键破坏的初始位置分析,发现原子键破坏最先出现的位置与孔洞附近的原子排布和成键类型有关。不同孔径下的CoSb3破坏断面与加载方向垂直,断口平整,未出现塑性变形,说明CoSb3的破坏特性是脆性断裂。沿[110]晶向单轴拉伸计算结果表明,随着孔径的不断增大,含纳孔CoSb3的拉伸力学性能逐渐减弱。当孔径由D=2 a0增加到D=4 2 a0,拉伸极限应力从16.89GPa降低到了13.42GPa,降低了20.5%,拉伸断裂应变从14.79%降低到了11.11%,降低了24.9%,弹性模量基本保持不变。沿[110]晶向单轴拉伸时,孔洞附近有明显的孔边应力集中现象,该现象与宏观孔边应力集中现象完全一致。材料原子键破坏的初始位置均在孔洞处,最先破坏的键为Co-Sb键。原子键破坏的初始位置与孔洞附近的原子排布和成键类型有关。
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