热电复合材料细观力学分析及优化

高性能热电材料能够将我们日常生活中产生的大量废热直接转化成电能，在解决当前日益严峻的全球能源需求和环境保护问题方面极具潜力。热电复合材料因其微观结构和宏观性能的高度可调性，可通过声子输运在复合材料界面处的散射，大幅度降低材料的热导率，从而提高复合材料的热电优值和能量转换效率，应用前景十分广阔。近二十年来，新型热电复合材料的实验研究虽然取得了巨大的进展，可是相应的理论分析，特别是基于连续介质理论的细观力学分析，远远落后于实验研究-当前热电复合材料领域对什么是合适的电热输运方程都存在许多的困惑，在很大程度上阻碍了新型热电材料的开发和应用。基于此，我们在本项目中，将发展一套严格的细观力学方法，分析非均质热电材料微观结构和宏观性能的关系，建立热电复合材料的均匀化理论，预测并实验验证其等效热电性能，并以此为基础对热电复合材料进行优化设计，为解决人类当前的能源危机和我国经济的可持续性发展做出贡献。

热电复合材料，尤其是具有纳米结构的复合材料，因其微观结构和宏观性能的高度可调性，近年来得到广大热电工作者的广泛关注。在过去二十年，新型热电复合材料的实验研究虽然取得了巨大的进展，可是相应的理论分析、特别是基于连续介质理论的细观力学分析，远远落后于实验研究。为此，我们基于细观力学发展了一套非线性渐进均匀化理论，对层状异质材料的有效热电行为及转化效率进行了系统的研究，明确了层状复合材料取得更高转化效率的条件，同时对三维复合热电材料的宏观等效热电性能进行了计算分析；基于等效夹杂方法和相场模拟研究了热电复合材料体系释出物的形貌和取向；采用第一性原理结合玻尔兹曼理论对新型热电材料的电子结构以及热电性能进行了计算。其次，在实验上，研究了工艺过程参数对纳米晶粉体形貌及性能的影响；同时，制备出了并行排列的PN型复合热电材料陶瓷纤维。相关研究工作，已在Journal of the Mechanics and Physics of Solids、Acta Materialia、Applied Physics Letters、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Applied Physics、RSC Advances等期刊发表SCI论文13篇。