热电材料断裂力学的理论分析和实验验证

Thermoelectric materials are functional materials that can directly convert electric energy into thermal energy or recover waste heat and convert it into electrical power by the motion of the charge carriers. They are often used for heating (heat pumps), refrigeration and power generation. Thermoelectric materials are always subjected to crack or microcrack damage during thermal loads or electrical loads since they are typically brittle semiconductors. Therefore, study of thermoelectric materials fracture mechanics is of great interest. Using theoretical and experimental methods, this project focuses on studying the fracture mechanics problems of thermoelectric materials under thermal loads and electrical loads. The aim is to explore the influence and mechanism of the environment inside the crack (the thermal conductivity, the electrical conductivity of the medium inside the crack), crack thickness to length ratio, and thermal shock on the fracture behavior of thermoelectric materials. The outcomes of the project will be very helpful for the reliability design of thermoelectric materials and their devices.

热电材料是利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料，被广泛的应用于加热（热泵）、制冷和发电等领域。由于热电材料属于典型的脆性半导体材料，在热载荷和电载荷作用下极易产生裂纹等缺陷。因此，关于热电材料断裂力学的研究很有必要。本项目应用理论分析和实验验证相结合的方法，首次系统深入地研究热载荷和电载荷单独或协同作用下热电材料的断裂力学问题，探索裂纹内环境（裂纹内介质的导热率、导电率）、裂纹长高比和热冲击载荷对热电材料断裂行为的影响规律和作用机理。在此基础上，建立可靠的热电材料断裂力学模型，加深人们对热电材料断裂失效机理的认识，为热电功能材料及器件的安全可靠性设计提供理论基础。

热电材料是一种以载流子（电子和空穴）输运方式直接实现热能和电能相互转换的半导体功能材料，以热电材料为核心技术制作的热电器件被广泛应用于废热回收、热电制冷、碳减排和太阳能收集等领域，体现出巨大的商用价值。大多数热电材料本身呈脆性，在热-电-力耦合载荷作用下极易产生裂纹等缺陷，影响热电器件的热电转换效率，甚至造成断裂失效。为此，我们基于复变函数方法，研究了含椭圆孔和椭圆夹杂的热电材料断裂力学问题，给出了椭圆孔和椭圆夹杂边缘电流密度、应力集中因子与椭圆几何形状关系的封闭解。发现当椭圆孔退化成裂纹时，裂纹尖端电流密度和应力均存在传统的平方根奇异性，给出了裂纹尖端电流密度强度因子、应力强度因子的表达式。与经典材料不同的是，热电材料裂纹尖端应力强度因子与外加电流密度的平方成正比，不再是线性关系。基于傅立叶积分变换方法研究了含裂纹有限大热电材料的断裂问题，同时考虑了裂纹导热和导电能力对热电转换性能的影响，研究发现，当考虑裂纹为电不可导通、热半导通时，裂纹的存在可增加热电材料的能量转换效率；而采用热、电绝缘裂纹模型时，裂纹对能量转换效率无影响。但是由于裂纹的存在，热电材料的输出功率明显减小，这是因为虽然能量转换效率增加了，但热电材料从热源提取热量的能力减弱了。研究了界面层接触热阻和接触电阻对环型热电发电器件性能的影响，给出了确定最大输出功率和最大能量转换效率时的最优负载和最优器件结构尺寸的方法。本项目的成功实施，进一步完善了热电材料的断裂力学理论，提出了裂纹等缺陷对热电材料力学行为和能量转换性能的分析方法，为热电材料断裂力学的深入研究奠定基础，为有关热电材料器件的设计和优化提供了重要的参考依据。