《熱電材料斷裂力學的理論分析和實驗驗證》是依託哈爾濱工業大學，由張愛兵擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：熱電材料斷裂力學的理論分析和實驗驗證
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張愛兵
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
熱電材料是利用固體內部載流子運動實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料，被廣泛的套用於加熱（熱泵）、製冷和發電等領域。由於熱電材料屬於典型的脆性半導體材料，在熱載荷和電載荷作用下極易產生裂紋等缺陷。因此，關於熱電材料斷裂力學的研究很有必要。本項目套用理論分析和實驗驗證相結合的方法，首次系統深入地研究熱載荷和電載荷單獨或協同作用下熱電材料的斷裂力學問題，探索裂紋內環境（裂紋內介質的導熱率、導電率）、裂紋長高比和熱衝擊載荷對熱電材料斷裂行為的影響規律和作用機理。在此基礎上，建立可靠的熱電材料斷裂力學模型，加深人們對熱電材料斷裂失效機理的認識，為熱電功能材料及器件的安全可靠性設計提供理論基礎。
結題摘要
熱電材料是一種以載流子（電子和空穴）輸運方式直接實現熱能和電能相互轉換的半導體功能材料，以熱電材料為核心技術製作的熱電器件被廣泛套用於廢熱回收、熱電製冷、碳減排和太陽能收集等領域，體現出巨大的商用價值。大多數熱電材料本身呈脆性，在熱-電-力耦合載荷作用下極易產生裂紋等缺陷，影響熱電器件的熱電轉換效率，甚至造成斷裂失效。為此，我們基於複變函數方法，研究了含橢圓孔和橢圓夾雜的熱電材料斷裂力學問題，給出了橢圓孔和橢圓夾雜邊緣電流密度、應力集中因子與橢圓幾何形狀關係的封閉解。發現當橢圓孔退化成裂紋時，裂紋尖端電流密度和應力均存在傳統的平方根奇異性，給出了裂紋尖端電流密度強度因子、應力強度因子的表達式。與經典材料不同的是，熱電材料裂紋尖端應力強度因子與外加電流密度的平方成正比，不再是線性關係。基於傅立葉積分變換方法研究了含裂紋有限大熱電材料的斷裂問題，同時考慮了裂紋導熱和導電能力對熱電轉換性能的影響，研究發現，當考慮裂紋為電不可導通、熱半導通時，裂紋的存在可增加熱電材料的能量轉換效率；而採用熱、電絕緣裂紋模型時，裂紋對能量轉換效率無影響。但是由於裂紋的存在，熱電材料的輸出功率明顯減小，這是因為雖然能量轉換效率增加了，但熱電材料從熱源提取熱量的能力減弱了。研究了界面層接觸熱阻和接觸電阻對環型熱電發電器件性能的影響，給出了確定最大輸出功率和最大能量轉換效率時的最優負載和最優器件結構尺寸的方法。本項目的成功實施，進一步完善了熱電材料的斷裂力學理論，提出了裂紋等缺陷對熱電材料力學行為和能量轉換性能的分析方法，為熱電材料斷裂力學的深入研究奠定基礎，為有關熱電材料器件的設計和最佳化提供了重要的參考依據。
