《高效熱電材料及其套用中的關鍵力學問題研究》是依託武漢理工大學，由張清傑擔任項目負責人的重點項目。
基本介紹
- 中文名：高效熱電材料及其套用中的關鍵力學問題研究
- 項目類別：重點項目
- 項目負責人：張清傑
- 依託單位：武漢理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
熱電材料是利用溫差發電原理將熱能直接轉換為電能的一類重要的新型功能材料，也是我國和國際上自上個世紀九十年代後期以來高度重視發展的新能源材料。圍繞高效熱電材料及其在太陽能熱電-光電複合發電技術中套用的關鍵力學問題，通過系統的理論與實驗研究，揭示熱電材料應力誘導納米結構形成機理並闡明其對電熱輸運的影響規律，建立應力誘導納米結構控制方法，為發展高性能納米熱電材料提供重要的理論指導；建立梯度複合熱電材料的熱-電-力耦合分析模型，實現電熱輸運、溫度場和熱應力場之間的最佳化匹配，為設計和製造具有寬溫域高效熱電特性的梯度複合熱電材料提供重要的理論指導；揭示熱電器件兩類異質結構界面在服役環境下熱疲勞損傷產生的機制，闡明熱疲勞損傷對電熱輸運和熱電轉換效率的影響規律，建立熱電材料及器件的熱-電-力-熱疲勞損傷耦合分析模型，為提高太陽能熱電-光電複合發電系統的可靠性提供重要的理論指導。
結題摘要
熱電材料是利用溫差發電原理將熱能直接轉換為電能的一類重要的新型功能材料。本項目根據納米熱電材料的發展及其在太陽能熱電-光電複合發電技術中套用的重大需求，以CoSb3、Bi2Te3和Zn4Sb3這三類最重要的熱電材料體系為主要研究對象，圍繞高性能納米熱電材料製造工藝中的關鍵力學問題、寬溫域熱電材料與器件設計與製造中的關鍵力學問題以及熱電材料與器件在服役環境中的關鍵力學問題展開了系統的研究。發展和建立了CoSb3、Bi2Te3和Zn4Sb3熱電材料的原子間相互作用多體勢模型和力學性能、熱傳導性能的分子動力學模擬方法，從原子尺度研究了材料的力學和熱傳導行為，研究並揭示了CoSb3基熱電材料應力誘導納米化現象產生的機制，為發展納米熱電材料製備新工藝提供了理論基礎。以提高熱電材料力學性能為目標，利用納米複合技術，發展了同質和異質微納複合熱電材料，在保持材料高熱電性能的同時，大幅度提高了材料的抗彎強度和斷裂韌性。在此基礎上，建立了寬溫域梯度材料熱電性能的分析模型和寬溫域級聯熱電器件設計理論，指導了高效熱電器件的設計與製造。針對熱電材料在太陽能熱電-光電複合發電技術中套用的服役環境，系統研究了熱循環、低周應力循環和實際服役條件下熱電材料的服役行為，揭示了熱循環作用下材料性能與微結構的演化規律和失效機制，研究並揭示了服役過程中納觀缺陷對材料熱電性能和力學性能的影響規律，獲得了方鈷礦熱電材料低周應力疲勞的P-S-N曲線和剩餘強度的理論模型，為高性能熱電材料的套用及其可靠性評價奠定了基礎。本項目基礎研究的主要成果與創新已直接用於指導高性能納米熱電材料與器件的研發和高效、高可靠性太陽能熱電-光電複合發電系統的研製，為熱電功能材料力學和熱電材料科學的發展做出了貢獻。
