纳米小孔对锑化钴热电材料基本力学性能的影响研究

来源 :武汉理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:yjqwml
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
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。
其他文献
随着现代科学的发展与进步,基础施工技术也在迅速的发展。在饱和黏土地基上进行基础施工,通常会在地基内引起大的超孔隙水压力。而超孔隙水压力的消散又将引起基础的沉降。如果控制不当,将对建筑物造成不利影响。本文通过有限元法,主要研究了双层地基上条形基础的固结沉降特性以及压桩施工后饱和黏土地基的固结规律。本文的主要研究及结论如下:基于Biot耦合固结理论采用有限元方法研究双层地基上条形基础的固结特性。建立土
学位
凝胶材料因其活跃的化学和力学性质,在许多工程领域都有着广阔的应用前景。凝胶的溶胀变形是一个耦合了溶剂分子扩散的过程,一直以来,人们对其与经典Fick流动的耦合特性关注较多。然而在许多玻璃态聚合物或凝胶中,受链段松弛速率影响,溶剂分子运移会表现出Non-Fickian型的特点。现阶段对这方面的认识尚不充分,相关实验报道较少,考虑材料变形与溶剂扩散耦合效应的理论也不完善。鉴于此,本文拟采用实验研究和理
学位
热电材料能够实现电能与热能的相互转化,是一种极具潜力的新型能源材料。无铅硫族化合物SnTe因与Pb Te具有相似的晶体结构和能带结构,近些年受到广泛关注,然而其较低的Seebeck系数、以及高的热导率导致其本征热电性能较差。本文通过高温高压合成结合热压烧结的方式制备了SnTe基热电材料,在此基础上通过多元掺杂的方式改善材料的热电性能与力学性能,主要研究内容和成果如下:(1)通过优化高温高压合成工艺
学位
方钴矿热电材料成本效益高,有较宽的温度应用范围,但其较高的晶格热导率限制了该材料的整体热电性能。孔隙结构是一种影响材料热导率的典型缺陷,因而,研究如何在方钴矿材料中引入孔隙及揭示孔隙对材料热电和力学性能的影响规律对制备高性能方钴矿热电材料具有重要意义。本论文以S填充方钴矿为研究对象,通过一步热压法快速制备了系列高性能方钴矿材料。通过工艺和组分的改变调控材料中的孔隙结构,以期进一步降低S填充方钴矿的
学位
鱼类作为世界上最古老的物种之一,具有高机动性、低能耗、高效率的优异游泳性能。从仿生学应用和生态保护的角度出发,对鱼类等生物行为习性的研究一直都颇受重视,因此深入开展各种流场环境下鱼游机理研究具有重要意义。鱼的游动是由其周围流体压力下的被动运动和鱼体本身肌肉收缩的主动变形共同促成的,必须将二者统一分析才可能实现对其运动机理的真正了解。本文通过高速摄影技术观测了鲫鱼在均匀来流和圆柱绕流流场中的游动过程
学位
肝癌是一种典型的免疫原性恶性肿瘤,其致死率在全球癌症中排名第四。免疫细胞浸润机制与肿瘤的生长和发展密切相关。免疫浸润的两个关键问题是免疫细胞在微血管中的输运和跨内皮迁移。其中,众多小于细胞尺寸的微血管狭窄片段和血管壁上的微小孔隙是影响免疫细胞浸润的关键因素。之前的研究多从生物医学角度解读免疫细胞的浸润过程,忽略了免疫调控中血流动力学和细胞力学的作用。基于此,本文结合多种机器学习算法和计算流体动力学
学位
负泊松比结构由于其优异的力学性能和良好的能量吸收性能,在生物医学、汽车、船舶及航天航空等领域有着广泛的应用。本文根据负泊松比内凹蜂窝结构(Auxetic Re-entrant Honeycomb,简称RH)的变形机理,设计出了一种负泊松比变截面内凹蜂窝结构(Auxetic Re-entrant Honeycomb with Variable Cross Section,简称VCRH)。采用有限元模
学位
陶瓷因其优良的抗冲击性能,现已成为装甲防护中的核心材料。明确陶瓷复合装甲抗侵彻机理,对于设计新型高性能复合装甲极为重要。然而陶瓷抗侵彻过程既是一个高速冲击过程,也是一个高度非线性的过程,包括材料的损伤、断裂和飞溅等难以观测的行为,如何了解其动态侵彻过程是研究陶瓷侵彻机理的一个难点。发展针对陶瓷侵彻行为仿真的本构模型和数值模拟方法可以为研究陶瓷侵彻机理提供有效的工具,为研究高性能复合装甲奠定基础。本
学位
机场跑道结冰导致交通中断,甚至引发重大安全事故,现有除冰方法存在除冰不彻底、滞后性、污染环境、腐蚀钢筋等问题。微波加热除冰技术是一种快速、高效且无污染的路面除冰技术。微波可以透过冰层对路面材料进行加热,首先融化冰与路面的粘结层,然后联合机械除冰快速高效清除路面结冰。本文利用橡胶粉和钢渣粉等工业废弃物作为普通混凝土的改性剂,以改善普通混凝土的微波吸收性能,以实验和模拟计算为手段,研究所配制材料的力学
学位
合金化合物的力学性能不仅仅由其化学成分决定,同时也依赖于结构的微观组织和在外载荷作用下结构内部演变过程。结构中晶界的存在和变形中位错的运动都会影响材料的力学性能。研究界面结构及其在变形过程中的结构演变规律对材料的性能预测和应用具有重要指导意义。鉴于此,本文采用分子动力学方法,以具有重要应用前景的Mg2Si和TiAl合金化合物为研究对象,分别研究纳米孪晶界和共格相界在应力场作用下结构演化规律及其对材
学位