摘 要

具有纳米结构的CoSb₃热电材料有很高的应用潜力，在热电界格外引人瞩目。在实际应用层面，对其力学性能的研究和热电性能的研究应该并驾齐驱，因为热电发电系统在服役时温度循环变化，热电材料一直位于热载荷和热应力的交互作用中。在两者作用下，其热力学性能和机械性能都将受到影响，因此研究CoSb₃热电材料的基本力学性能具有很大的现实意义。

分子动力学方法作为一种确定性模拟方法，适合描述纳米尺度下材料的各种行为，它不仅能得到原子的运动细节，还能作虚拟实验观测。本文采用三体作用势模型及LAMMPS程序对CoSb₃理想结构进行分子动力学模拟，研究了理想单晶结构的CoSb₃热电材料的微观力学行为，包括模拟不同温度下单晶块体CoSb₃的单轴拉伸和压缩变形过程，根据应力—应变曲线和原子构型演化分析，获得CoSb₃的基本力学性能以及温度对其力学参数的准则。

关键词：热电材料，方钴矿，分子动力学， 基本力学性质

Abstract

As a new kind of thermoelectric material with potential applications, the Cobalt antimonide thermoelectric material which has nanostructures ,gets attention from thermoelectric community. On the application of the thermoelectric material, the thermoelectric properties of studies and research on its mechanical properties are equally important.because when thermoelectric power generation system is at the service ,the temperature is cycling, making the thermoelectric material be in the long-term thermal load and thermal stress effect in cycling. In the long-term effect of cyclic thermal loads and thermal stress, thermal and mechanical properties of thermoelectric materials will be affected.So the study of basic mechanical properties of the Cobalt antimonide thermoelectric material has important practical significance.

As a deterministic method, the molecular dynamics simulation method is suitable to describe the behavior under a variety of nanoscale materials.It can not only get the details of the motion of atoms, but also observe the same variety as an experiment . this paper adopt three-body interaction potential model and LAMMPS program to get a molecular dynamics simulation of cobalt antimony thermoelectric materials over a single crystal structure ,studying microscopic mechanical behavior over a single crystal structure of the Cobalt antimonide thermoelectric materials, including simulating uniaxial stretching and compression deformation of crystal block body CoSb3 under different temperatures ,using the stress - strain curves and the evolution of atomic configuration analysis, accessing to the general rule of CoSb3 basic mechanical properties as well as the impact of temperature on mechanical behavior of single crystal block.

Key Words：thermoelectric materials,skutterudite ,molecular dynamics,basic mechanical properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 热电效应 1

1.2 热电材料研究进展 2

1.3 方钴矿类热电材料 3

1.4 分子动力学方法 4

1.5 本文研究内容 5

第2章 建立理想结构CoSb₃原子模型及模拟方法 6

2.1 CoSb₃的晶体结构 6

2.2 作用势模型 8

2.3 实现步骤 9

第3章 理想结构CoSb₃基本力学性能的分子动力学研究 11

3.1单轴拉伸 11

3.1.1 常温下单轴拉伸 11

3.1.2 温度对CoSb₃拉伸力学性能的影响 15

3.2 单轴压缩 17

3.2.1 常温下单轴压缩 17

3.2.2 温度对CoSb₃单轴压缩力学性能的影响 19

第4章 总结与展望 21

4.1 总结 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 22

第1章 绪论

热电能量转换技术可以进行实现热电之间能量的相互转换, 进而用来发电和制冷。随着全球能源问题和环境问题的日益突出, 这种可以实现热电传送交叉耦合的新型材料重新引起人们的注意, 同时热电器件由于不需传动部件、尺寸小、性能可靠，使用寿命长等特点, 受到了许多人的青睐和研究, 具有广泛的应用前景。

1.1 热电效应