Bi2Te3力学性能空位效应和纳孔效应的分子动力学研究

摘要

热电材料是能够实现热能与电能相互转换的新型功能材料，由热电材料做成的器件具有清洁、环保、无污染的特点，具有广泛的应用前景，在众多热电材料体系中，Bi2Te3基热电材料是最早得到商业化应用的热电材料。在热电器件的服役环境中，热电材料不可避免要长期处于循环热应力的荷载中，这将导致热电材料的力学稳定性急剧下降，进而导致材料的失效破坏。因而，研究Bi2Te3基热电材料的力学性能对该类材料的工业化应用具有重要的理论指导依据。研究Bi2Te3材料原子缺位和纳孔效应下的基本力学行为，揭示缺位效应和纳孔效应对Bi2Te3热电材料力学性能的影响规律及其机理，为开发高效稳定的Bi2Te3基热电器件提供了重要理论指导依据。
　　 研究结果表明，Bi2Te3结构中Bi原子在结构稳定性方面占据着主导作用，Bi原子的空位能显著降低Bi2Te3的结构的稳定性，从而显著降低Bi2Te3的力学性能，完整的原子构型表明Bi2Te3空位模型在整个拉伸过程中均保持完美的晶体结构。在断裂阶段，单晶块体Bi2Te3在上、下表面与x轴成45°角发生破坏;纳米孔洞是结构的重要缺陷，能显著降低Bi2Te3材料的力学性能，随着孔隙率的增加，力学性能依次降低，由Bi2Te3拉伸过程的原子构型图，发现纳孔Bi2Te3在整个拉伸过程中保持完整的原子构型，在断裂阶段，每个纳孔附近均出现相同的破坏状态，最终在中间纳孔处发生整体结构的破坏，孔隙率是影响弹性模量的唯一因素，孔隙率越大，弹性模量越低;除孔隙率外，比表面积比和最小横断面长度也是影响极限应力和断裂应变的主要因素，比表面积比越大，极限应力和断裂应变越小，最小横断面长度越小，极限应力和断裂应变越小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景

1．2 课题研究的进展和国内外研究现状

1．3 分子动力学方法及应用

1．4 本文研究的主要内容

第二章 分子动力学原理与方法

2．1 分子动力学基本原理

2．1．1 拉格朗日(Lagrangian)方程

2．1．2 哈密顿(Hamilton)方程

2．2 原子间相互作用势

2．2．1 对势模型

2．2．2 多体势模型

2．3 分子动力学模拟方法

2．3．1 几何模型与初始条件

2．3．2 边界条件的给定

2．3．3 粒子系综及其控制方法

2．3．4 粒子系统运动方程的数值解法

2．4 本章小结

第三章 Bi2Te3空位效应的力学性能研究

3．1 分子动力学模拟设置

3．2 Bi2Te3在Bi原子空位下的力学性能

3．2．1 Bi2Te3在Bi原子空位下的平衡态性质

3．2．2 Bi2Te3在Bi原子空位下的力学行为

3．3 Bi2Te3在Te1原子空位下的力学性能

3．3．1 Bi2Te3在Te1原子空位下的平衡态性质

3．3．2 Bi2Te3在Te1原子空位下的力学行为

3．4 Bi2Te3空位模型在不同温度下的力学性能

3．5 Bi2Te3空位模型在不同应变率下的力学性能

3．6 本章小结

第四章 Bi2Te3纳孔效应的力学性能研究

4．1 分子动力学模拟设置

4．2 均匀分布纳孔Bi2Te3的力学性能

4．3 随机分布纳孔Bi2Te3的力学性能

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

作者在攻读硕士学位期间所发表的论文

作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目