方鈷礦熱電材料的疲勞行為的試驗(yàn)研究.pdf

1、目前，能源短缺問題日益嚴(yán)重，開發(fā)新型環(huán)保能源替代材料已迫在眉睫。熱電材料作為一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，方鈷礦Skutterudites化合物是一種具有開放籠狀結(jié)構(gòu)的窄帶半導(dǎo)體材料，它具有高的Seebeck系數(shù)以及較高的電導(dǎo)率，通過各種優(yōu)化手段有望成為一種非常具有前景的高效中溫?zé)犭娹D(zhuǎn)換材料。在熱電器件服役過程中，材料一直受到循環(huán)熱載荷和循環(huán)應(yīng)力載荷的作用，這些疲勞載荷會降低熱電器件的可靠度和減少熱電器

2、件的的使用壽命。研究的方鈷礦材料疲勞特性，對方鈷礦熱電器件可靠性評估和壽命預(yù)測具有重要的工程應(yīng)用意義。
　　 本文以方鈷礦熱電材料為研究對象，采用熔融-擴(kuò)散反應(yīng)法合成粉末、放電等離子體快速燒結(jié)法制備純方鈷礦塊體材料和塊體Ce0.5Fe1.5Co2.5Sb2，經(jīng)過切割，磨削和拋光后制成棱柱體塊體試樣。試樣分組進(jìn)行試驗(yàn)，主要有三大類試驗(yàn)，基本力學(xué)性能試驗(yàn)、低周疲勞試驗(yàn)和強(qiáng)度衰減試驗(yàn)，主要實(shí)驗(yàn)儀器為Instron5882電子萬能材料試

3、驗(yàn)機(jī)和MTS810陶瓷試驗(yàn)系統(tǒng)。本文的主要試驗(yàn)和理論研究內(nèi)容包括以下幾個方面。
　　 首先，進(jìn)行了棱柱體純方鈷礦的基本力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，分別有壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)，彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)。然后進(jìn)行了方鈷礦的低周疲勞試驗(yàn)，低周疲勞試驗(yàn)在MTS810陶瓷試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行，采用應(yīng)力控制，循環(huán)應(yīng)力應(yīng)力比為R=0.1，加載頻率為2Hz。試驗(yàn)環(huán)境為室溫(25℃)、空氣介質(zhì)。單軸靜載壓縮試驗(yàn)測定出的壓縮強(qiáng)度作為低周疲勞試驗(yàn)的選擇依據(jù)。在不同的應(yīng)力水平下進(jìn)行材

4、料疲勞壽命測試；對試樣試驗(yàn)前的微觀表面進(jìn)行SEM表征。通過SEM觀察和理論分析闡述試樣表面裂紋形成機(jī)制和過程。并對試件疲勞斷口進(jìn)行SEM觀察。疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：方鈷礦材料具有良好的壓縮疲勞性能，由于其為多晶脆性材料，疲勞破壞以脆斷為主，疲勞破壞過程實(shí)質(zhì)上就是裂紋擴(kuò)展過程。
　　 本文中假定在不同的應(yīng)力水平下，試樣的低周疲勞壽命為獨(dú)立的隨機(jī)分布變量，且分別滿足對數(shù)正態(tài)分。方鈷礦塊體材料和塊體Ce0.5Fe1.5Co2.5Sb2材料

5、的S-N曲線采用兩參數(shù)線性方程來描述，通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理，獲得了各種可靠度下S-N曲線方程的系數(shù)，最后得到了P-S-N的表達(dá)式。然后進(jìn)行了下一項(xiàng)疲勞試驗(yàn)，研究了疲勞載荷應(yīng)力比、加載頻率和加載波形(三角波、方波和正弦波)對方鈷礦疲勞特性的影響。
　　 最后進(jìn)行了棱柱體純方鈷礦試樣的疲勞剩余壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，先對試樣施加一定循環(huán)次數(shù)的疲勞載荷，再通過單軸靜載壓縮試驗(yàn)測定出剩余壓縮強(qiáng)度的方法，能夠較好的揭示方鈷礦熱電材