论文部分内容阅读
随着清洁能源受到重视，利用热电效应进行能量转换的热电材料也越来越受到广泛的应用。现有科研成果显示纳米尺度的单原子及多原子填充的填充型方钴矿CoSb3已经成功制备，并且热电性能有所提升。填充型方钴矿CoSb3作为一种重要的中温区热电材料，一方面其服役环境难以避免的会经受循环热载荷和循环机械载荷，另一方面，为了提高材料的热电性能，显著减小某一方向的尺寸即低维纳米化和使用其他材料进行填充会使材料的力学和热学性能改变，所以研究低维纳米化和填充后的CoSb3的力学和热学性能对此种材料得到广泛应用具有十分重要的指导意义。因为低维纳米化后和其他材料填充后的材料在实际试验中比较难以测量其力学和热学性能，并且难以解释性能变化的原因，所以我们使用分子动力学模拟方法对材料进行模拟研究。 本文使用Fortran语言编写分子动力学模拟程序，目的是研究填充型方钴矿CoSb3在低维纳米化及有Ti原子填充时力学和热学性能的变化。首先建立晶体模型，使用Morse势函数描述材料内部原子之间的相互作用，模拟块状CoSb3单质的平衡态，观察到系统内能量守恒，验证了晶体模型和分子动力学程序的正确性。然后模拟块状CoSb3单质拉伸模拟，对比现有力学性能数据确认拉伸模拟方法部分的正确性。在保证材料晶体模型和分子动力学模拟程序的正确性后，进行对薄膜材料以及填充状态材料的模拟。 本文模拟了三种情况纳米薄膜拉伸力学性能，分别是单质状态下不同厚度、薄膜厚度固定但Ti填充量不同和Ti填充量固定但厚度改变时CoSb3纳米薄膜。在薄膜的拉伸模拟过程中，通过周期边界和上下固定粒子模拟薄膜面向无限尺寸，改变自由边界的粒子层数来改变纳米薄膜的厚度。在单质和固定Ti填充量时，拉伸力学性能均随薄膜尺寸减小而减小，并且减小速率加快；在填充位置为笼状空隙，而且Ti填充量增加时，拉伸力学性能增加，并且在每个晶格两个Ti原子时提高最多。 本文模拟了两种条件改变下导热系数的变化，分别是单质CoSb3在不同薄膜厚度时和固定Ti填充量不同薄膜厚度时导热系数的变化，使用NEMD方法计算瞬时导热系数并统计导热系数的变化，发现两种情况导热系数都随着薄膜的减小而减小，并且Ti填充后的纳米薄膜导热系数相比与单质明显减小。