高效热电材料及其应用中的关键力学问题研究

热电材料是利用温差发电原理将热能直接转换为电能的一类重要的新型功能材料，也是我国和国际上自上个世纪九十年代后期以来高度重视发展的新能源材料。围绕高效热电材料及其在太阳能热电-光电复合发电技术中应用的关键力学问题，通过系统的理论与实验研究，揭示热电材料应力诱导纳米结构形成机理并阐明其对电热输运的影响规律，建立应力诱导纳米结构控制方法，为发展高性能纳米热电材料提供重要的理论指导；建立梯度复合热电材料的热-电-力耦合分析模型，实现电热输运、温度场和热应力场之间的优化匹配，为设计和制造具有宽温域高效热电特性的梯度复合热电材料提供重要的理论指导；揭示热电器件两类异质结构界面在服役环境下热疲劳损伤产生的机制，阐明热疲劳损伤对电热输运和热电转换效率的影响规律，建立热电材料及器件的热-电-力-热疲劳损伤耦合分析模型，为提高太阳能热电-光电复合发电系统的可靠性提供重要的理论指导。

热电材料是利用温差发电原理将热能直接转换为电能的一类重要的新型功能材料。本项目根据纳米热电材料的发展及其在太阳能热电-光电复合发电技术中应用的重大需求，以CoSb3、Bi2Te3和Zn4Sb3这三类最重要的热电材料体系为主要研究对象，围绕高性能纳米热电材料制造工艺中的关键力学问题、宽温域热电材料与器件设计与制造中的关键力学问题以及热电材料与器件在服役环境中的关键力学问题展开了系统的研究。. 发展和建立了CoSb3、Bi2Te3和Zn4Sb3热电材料的原子间相互作用多体势模型和力学性能、热传导性能的分子动力学模拟方法，从原子尺度研究了材料的力学和热传导行为，研究并揭示了CoSb3基热电材料应力诱导纳米化现象产生的机制，为发展纳米热电材料制备新工艺提供了理论基础。. 以提高热电材料力学性能为目标，利用纳米复合技术，发展了同质和异质微纳复合热电材料，在保持材料高热电性能的同时，大幅度提高了材料的抗弯强度和断裂韧性。在此基础上，建立了宽温域梯度材料热电性能的分析模型和宽温域级联热电器件设计理论，指导了高效热电器件的设计与制造。. 针对热电材料在太阳能热电-光电复合发电技术中应用的服役环境，系统研究了热循环、低周应力循环和实际服役条件下热电材料的服役行为，揭示了热循环作用下材料性能与微结构的演化规律和失效机制，研究并揭示了服役过程中纳观缺陷对材料热电性能和力学性能的影响规律，获得了方钴矿热电材料低周应力疲劳的P-S-N曲线和剩余强度的理论模型，为高性能热电材料的应用及其可靠性评价奠定了基础。. 本项目基础研究的主要成果与创新已直接用于指导高性能纳米热电材料与器件的研发和高效、高可靠性太阳能热电-光电复合发电系统的研制，为热电功能材料力学和热电材料科学的发展做出了贡献。