热电材料是一种环境友好型功能材料,能实现热能和电能之间的相互转换。热电材料在很多工程中具有应用,如太阳能收集、热电制冷、废热回收等。采用多层结构,可以提高热电材的热稳定性和热电转换率。然而多层热电材料具有以下缺陷:(1)由于其非均匀性,多层热电材料的自由端附近会产生很大的层间热应力;(2)由于其脆性特征,多层热电材料极易发生断裂/脱层破坏。因此,研究多层热电材料的层间应力及脱层力学特性,对于热电设备的可靠性设计具有极其重要的指导意义。本文以弹性理论及断裂力学为基础,研究了多层热电材料稳态/瞬态条件下的层间应力,以及瞬态边缘/内部脱层行为。具体内容如下:针对多层热电材料的结构缺陷,论文研究了瞬态/稳态条件下,多层热电材料的层间应力,及绝缘层几何参数、材料属性和电流密度对剥离应力的影响。通过能量平衡原理、界面柔度及相应热/力边界条件,获得由N型热电层、P型热电层和绝缘层组成的多层热电材料,在瞬态和稳态两种条件下的温度场和层间应力场解析解。同时,给出了层间剥离应力随绝缘层厚度和材料参数的变化规律。研究发现:(a)层间热应力在多层热电材料的自由边界处,具有严重的应力集中现象;(b)瞬态层间应力分布与稳态层间应力分布,差别十分显著。总体而言,瞬态应力集中范围要比相应稳态条件大很多;(c)层间剥离应力随绝缘层的弹性模量及厚度的增加而增大,且当绝缘层与热电层具有相同热膨胀系数时,层间热应力消失。(d)随着施加电流的增大,层间热应力增加。因此,电流密度的影响不可忽略。基于经典断裂力学,研究了多层热电材料的瞬态边缘脱层行为。通过建立含边缘裂纹的多层热电材料几何模型,分析了多层热电材料边缘裂纹扩展的稳定性,给出了多层热电材料发生边缘脱层时,裂纹前端的I型和II型瞬态应力强度因子。研究发现I型瞬态应力强度因子的最大值,明显比II型大,且I型应力强度因子最大值所对应的裂纹长度比II型小,这表明具有边缘裂纹的多层热电材料更易发生脱层破坏,而不是滑移破坏。针对多层热电材料的层间孔隙等缺陷问题,论文研究了多层热电材料内部脱层时,其应力分布及能量释放率。通过建立多层热电材料的内部脱层几何/等效模型,并利用弹性理论及断裂理论,给出了脱层位置的近似应力场及其能量释放率解析解。研究发现:(a)脱层部分热电层轴向力,随着时间及脱层裂纹长度的增加而逐渐减小,且达到稳定状态时,其分布规律与未发生脱层时相同。同时发现,远离脱层位置处,热电层轴向力不随时间及脱层裂纹长度而改变;(b)随着脱层裂纹长度的增加,能量释放率先增加后减小。当脱层裂纹长度较小时,能量释放率随着时间的增加而增加。反之,当脱层裂纹长度较大时,能量释放率随着时间的增加而减小。