热力耦合作用下纳米复合锑化钴基热电材料结构与热-电-力学性能研究

Antimonide cobalt based nanocomposite thermoelectric material has good thermoelectric and mechanical properties. However, under the service condition of thermo-mechanical coupling, the structures will evolve and make the whole service performance down. So, for the application of the material, it is a key that how to control the whole performance degradation. In the project, several antimonide cobalt based nanocomposites are regarded as the research objects. Through the systematic experiments, the evolution law is researched on the crystal structure and micro-, nano-structures of antimonide cobalt based nanocomposites under thermo-mechanical coupling, and it is revealed that generation and evolution mechanism of characteristic structure in various scales. In addition, the evolution law is researched on the thermal-electric-mechanical properties, and the influence mechanism of crystal structure and micro-, nano-structures on the thermal-electric-mechanical properties is revealed by means of several theoretical methods including mesomechanics, molecular dynamics and first principles. At last, it is achieved that the coordinate controlling on the thermal-electric-mechanical properties, which lay the theoretical foundation for the development and application of antimonide cobalt based nanocomposites materials.

纳米复合锑化钴基热电材料具有较好的热电性能和力学性能，但是在热、力载荷长期共同作用的服役条件下，存在着结构的演化而导致材料整体服役性能下降，因此如何控制材料在服役条件下的整体性能劣化是其应用的关键。本项目以含有几类典型纳米相的复合锑化钴基热电材料为研究对象，通过系统的实验，研究材料在热、力载荷长期共同作用下的晶体结构、纳观结构和细观结构的演化规律，揭示不同尺度特征结构的产生与演化机理；研究并获得材料热、电、力学性能的演变规律，结合细观力学、分子动力学和第一性原理等理论方法，探索晶格点缺陷、纳孔（纳观缺陷）和微裂纹等多尺度结构对材料热、电、力学性能的影响机制；在此基础上，提出对材料在服役条件下的热-电-力性能进行协同调控的方法，以实现材料服役性能的长期稳定，为纳米复合锑化钴基热电材料的发展与应用奠定理论基础。

在服役环境中，热电材料会长期遭受循环热载荷的作用，因此获得热电材料在服役条件下结构与性能的演化规律对热电材料的应用具有非常重要的意义。. 本项目围绕纳米复合锑化钴基热电材料在循环热载荷和长期热载荷的作用下结构和性能的演化展开了系统的研究。主要研究内容包括：未含有纳米第二相的锑化钴基热电材料(Yb0.1Co4Sb12)在循环热载荷作用下结构与热电性能的演化；含有同质纳米相的锑化钴基热电材料(1 vol.% nano-Co4Sb11.5Te0.5/ Co4Sb11.5Te0.5)在持续热载荷作用下结构与热电性能的演化；含有纳米TiN颗粒的锑化钴基热电材料(1 vol.% nano-TiN/ Co4Sb11.3Te0.58Se0.12)在持续热载荷作用下结构与热电、力学性能的演化；含有纳米TiN颗粒的具有纳米尺度的锑化钴基热电材料(1 vol.% nano-TiN/nano-Co4Sb11.5Te0.5)的结构与性能及其在持续热载荷作用下的演化；同时引入纳米SiC颗粒和晶须的锑化钴基热电材料的结构和性能及其在持续热载荷作用下的演化。. 研究发现，在循环热载荷或持续热载荷作用下，锑化钴基热电材料中存在着较为明显的结构变化，比如Yb0.1Co4Sb12材料在循环热载荷作用1000次后，在材料中发现了第二相YbSb；Co4Sb11.3Te0.58Se0.12/TiN 材料在持续热载荷作用100小时后空隙率下降了2.5%。这些结构的变化导致了性能的变化，总的来说，存在如下变化趋势：材料的综合热电性能变化不明显，而力学性能却存在明显下降的趋势。比如Co4Sb11.3Te0.58Se0.12/TiN 材料在持续热载荷作用100小时后，材料的电导率和热导率都同时减小，而Seebeck系数的变化不明显，最终导致其综合热电性能变化较小，然而其弯曲强度却明显下降了近20%。. 针对热电材料在服役条件下力学性能明显衰减的现象，本项目初步发现，在锑化钴基热电材料中同时引入纳米SiC颗粒和晶须可以进一步增加材料的力学性能，并能在很大程度上延缓力学性能在服役条件下的衰减趋势。这一研究发现对热电材料的实际应用具有非常重要的意义。