近年来，由于对环保意识的增强和对传统能源观念的转变，寻求高效率、无污染的能量转换方式已成为全球能源科学家急需解决的热点问题之一。热电材料是一种环境友好型的新能源材料，通过Seebeck效应和Peltier效应可以实现热能和电能之间的直接转换，因此热电材料的研究和发展在能源节约和环境保护等可持续发展战略中具有重要的意义^[1-4]。Mg₂Si属于立方晶系，具有反萤石结构，其空间群为Fm3m。Mg₂Si基半导体得到人们越来越多的关注，主要基于以下两点原因：首先，它是一种窄带隙n型半导体，具有较高的电子有效质量和空穴有效质量；同时，电子迁移率明显高于空穴迁移率。一般来说，载流子有效质量和载流子迁移率均较高的材料，有潜力获得优异的电性能；其次，Mg₂Si具有较低的密度、高比强度、耐中高温的优异性能，而且其原料来源丰富，地层蕴藏量大，价格低廉，并且无重金属等有毒材料，是一种环保型半导体材料^[5]。

热电材料的能量转化效率取决于材料的热电优值（ZT值），，其中、、和分别为Seebeck系数、电导率、绝对温度和热导率。迄今为止，人们一直致力于通过各种手段来提高材料的ZT值，以期达到最优的热电转换效率。

然而以热电材料模块组成的器件在服役过程中会承受高温度梯度的内部热荷载、不规律的外部震动荷载等，因此，一个服役性能良好的热电材料既需要具备优异的热电性能又需要具备良好的力学性能^[6]。但Mg₂Si基热电材料是一种典型的脆性材料，其断裂韧性小于1Mpam^{1/2 [7]}、弯曲强度只有大约80Mpa ^[8]。近年来，研究表明在镁硅基材料中引入纳米相可以明显提升其力学性能，Gwansik^[9]制备了单层氧化石墨烯复合Mg_1.96Al_0.04Si_0.97Bi_0.03热电材料。在裂纹扩展，裂纹桥接和拔出机制的协同作用下，当氧化石墨烯含量为3vol%时复合材料断裂韧性可达到1.88MPa m^1/2。Gwansik采用金属纳米颗粒复合Mg_1.96A_l0.04Si_0.97Bi_0.03热电材料，使得纳米颗粒均匀分布在基体晶界处。当添加0.6vol%的Al纳米颗粒时，由于晶界处Al纳米颗粒干扰裂纹扩展，其断裂韧性与纯Mg_1.96A_l0.04Si_0.97Bi_0.03相比提高约35%^[10]。而当复合含量为2.4vol%的Sn纳米颗粒时，其断裂韧性较原始样品提高了约48%^[11]。Inoue^[12]采用等离子体活化烧结法制备了纳米SiC颗粒复合Mg₂Si热电材料，并对其断裂韧性进行测试。研究发现，在纯Mg₂Si试样中，裂纹在晶粒中传播，裂纹路径相对较直。而复合纳米SiC颗粒的试样中，裂纹路径更加曲折。此外，在复合纳米SiC颗粒的材料中还观察到裂纹桥接现象。相比于纯Mg₂Si材料，晶内复合纳米SiC颗粒的Mg₂Si材料断裂韧性提高了60%。

目前，在其他材料中通过多维纳米相协同增强其力学性能的研究已经取得了一定的进展。Li等^[13]在Al基材料中掺加了石墨烯和碳纳米管，随总掺加量增加，材料屈服强度、拉伸强度增加，其中总掺加3vol.% 的混杂复合材料具有最高力学性能，相较纯Al基材料分别提升了97.6%和72%。Li等^[14]制备一维碳纳米管和二维氧化石墨复合PVA材料，证明含有氧化石墨烯和碳纳米管的PVA复合材料中有协同效用，其力学性能优于单独氧化石墨烯或碳纳米管增强的PVA复合材料。Pradhan等^[15]在硅橡胶中加入了石墨烯和碳纳米管，最终总掺加0.75wt.% 碳纳米管和石墨烯的硅橡胶复合材料的拉伸强度提升了110%。Shin等^[16]通过研究发现二维石墨烯薄片和一维多壁碳纳米管在改善环氧复合材料的力学性能和导热性方面具有显著的协同效应。这一研究现状为提升热电材料的力学性能研究提供了新的思路。

总之，当前大多数针对Mg₂Si基热电材料在力学性能的改善方面的研究还不够充分。在热电材料中同时引入多维度纳米材料形成混杂复合材料的方法尚未有论文报道。因此，本项目拟通过在Mg₂Si基热电材料中同时引入一维多壁碳纳米管和二维氧化石墨烯，并结合不同的材料合成及烧结工艺，通过系统的实验，研究制备工艺、多维纳米相的质量分数以及纳米相的物理性质对Mg₂Si基复合材料结构以及力学性能的影响。