热电材料是利用Seebeck效应实现热能与电能之间相互转换的新型功能材料,利用热电材料制作的器件无污染、安全可靠,具有广阔的应用前景,提高热电优值ZT(衡量转换效率的重要指标)是热电材料科学追求的重要目标,然而相对于热电材料科学,热电材料力学研究进展缓慢,限制了热电材料在一些重要领域的应用。Zn4Sb3热电材料是我国以及国际上高度重视研究的热电材料,Zn4Sb3晶体结构非常复杂,其无序的晶体结构一直是该材料的研究重点和研究难点。Zn4Sb3的结构无序性是该材料较低热导率和良好热电性能的根本原因,是Zn4Sb3能成为“电子晶体-声子玻璃”型热电材料的重要保证；同时,Zn4Sb3的结构无序性也是该材料弱机械强度和低可靠性的根本原因,是Zn4Sb3热电材料制备和应用中的重要瓶颈。鉴于此,以提高Zn4Sb3热电材料热、力学性能与可靠性为目标,围绕Zn4Sb3热电材料设计、制备和应用中的关键力学问题,建立Zn4Sb3的原子间相互作用势和Zn4Sb3各种结构的分子动力学理论模型,系统研究Zn4Sb3的各种晶体结构、热传导和力学行为,揭示Zn4Sb3热电材料低热导率和弱机械强度的机制,提出改善Zn4Sb3热电材料热、力学性能与可靠性的途径和方法,为Zn4Sb3热电材料的工业化应用提供重要的理论指导依据。建立了Zn4Sb3不同晶体结构的原子间相互作用的势函数并构建了Zn4Sb3各种结构的分子动力学理论模型,填补了Zn4Sb3势函数研究领域的空白,突破了Zn4Sb3分子动力学研究的关键科学问题,为Zn4Sb3的分子动力学研究奠定了坚实基础。基于Zn4Sb3的完全占据模型,分析了Zn4Sb3的键长、键角等结构特征并构建了Zn4Sb3的势函数模型,采用第一性原理方法计算了Zn4Sb3的结合能、弹性常数等基态物理性质,拟合基态物理性质方程得到势函数参数；根据Zn4Sb3各种晶体结构的特点,预测了不同Zn4Sb3晶体结构的作用势,建立了Zn4Sb3各种结构的分子动力学理论模型,进而发展了Zn4Sb3的结构性质和弹性性质的分子动力学方法,与已有的理论值和实验值对比验证Zn4Sb3原子间相互作用势函数的可行性。经验证,该势函数可以很好地模拟Zn4Sb3材料的热、力学性能。发展了Zn4Sb3平衡态性质(单胞能量、热容和热导率)的分子动力学方法,系统研究了Zn4Sb3的各种晶体结构并进行了评价。研究结果表明,三填隙模型和Mayer模型能量较低,较易稳定存在；三填隙模型和完全占据模型能较好地描述Zn4Sb3的热容；三填隙模型和空位模型能合理地解释Zn4Sb3低热导率的原因。研究发现,三填隙结构模型更加接近于Zn4Sb3的实际晶体结构。发展了Zn4Sb3各种结构热传导和力学行为的分子动力学方法,研究了Zn4Sb3的热传导和力学行为,揭示了Zn4Sb3低热导率和弱机械强度的机制,进而从原子尺度上讨论了微观缺陷(结构无序性、点缺陷、纳米孔洞)等对Zn4Sb3材料热、力学性能的影响,并获得了一些规律性和机理性的认识,为改善Zn4Sb3热、力学性能奠定了基础。研究结果表明,Zn4Sb3晶体结构中10%的空位Zn原子是Zn4Sb3低热导率和弱机械强度的直接原因,结构中的填隙Zn原子对热导率影响较小,但是弥补了空位Zn原子的不足,显著增强了结构的晶格稳定性,同时小幅增加了Zn4Sb3的力学性能；Zn原子对Sb(1)原子的取代能显著降低Zn4Sb3的热导率,同时大幅增加Zn4Sb3的晶格稳定性与力学性能。在此基础上,提出了改善Zn4Sb3热、力学性能与可靠性的途径和方法,为Zn4Sb3热电材料的工业化应用提供了重要的理论指导依据：如果在Zn4Sb3结构中用其他的相关原子取代填隙Zn原子位置,使该相关原子与近邻原子的相互作用强于填隙Zn原子与近邻原子的相互作用,那么既能保持Zn4Sb3的低热导率,又能增加Zn4Sb3的晶格稳定性,从而提高其力学性能与可靠性；●如果在Zn4Sb3结构中用其他的相关原子取代Sb(1)原子位置,使该相关原子与近邻原子的相互作用强于框架Zn原子与近邻原子的相互作用,那么既能降低Zn4Sb3的热导率,又能增加Zn4Sb3的晶格稳定性,从而提高其力学性能与可靠性；●如果在Zn4Sb3结构中用其他的相关原子占据10%的空位框架Zn原子位置,使该相关原子弥补空位Zn原子带来的重要结构缺陷,那么仅仅小幅增加Zn4Sb3的热导率,却能大幅增加Zn4Sb3的晶格稳定性,从而大幅提高其力学性能与可靠性。