武汉理工大学材料学院张清杰

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张清杰教授，男，1958年11月生，现任武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室主任，国家“973”计划项目首席科学家，武汉理工大学材料学科首席教授，武汉理工大学校长。兼任国家自然科学基金委员会无机非金属材料学科专家评审组成员，国家自然科学基金委员会无机非金属材料学科发展战略研究组成员，科技部“十一五”“863”计划重点项目“太阳能热发电技术及系统示范”总体专家组成员。长期从事先进复合材料和热电材料的设计、制备和应用研究，先后组织并承担了国家自然科学基金委员会重大国际合作研究项目、科技部重大国际合作项目、国家“973”计划项目、国家“863”计划项目和国家自然科学基金重点项目。2005年以来，同团队成员合作，在J. Am. Chem. Soc., Phys. Chem. Chem. Phys., J. Phys. Chem. C, Appl. Phys. Lett., Phys Rev. B, J. Appl. Phys., Crystal Growth & Design, J. Phys. D, Chinese Sci. Bull.等国际国内学术刊物上发表SCI论文140余篇。获湖北省自然科学一等奖、技术发明一等奖和科技进步一等奖3项、自然科学二等奖1项。
在太阳能热电－光电复合发电技术的研究方面，张清杰教授与日本航空宇宙技术研究所科学家新野正之合作，在国际上率先提出了将太阳能热电转换技术和光电转换技术进行低成本集成复合，发展太阳能高效热电－光电复合发电技术的新的科学构想，得到我国NSFC和日本JST的重大国际合作研究项目的支持，研制出了具有中日双方知识产权的国际上第一台kW级太阳能热电－光电复合发电的实验系统并实验成功，开辟了太阳能全光谱（200～3000nm）直接高效发电技术的新途径。在此基础上，提出了5-10KW的高效、高可靠性太阳能热电—光电复合发电分布式示范电站系统的研究设想，得到了国家“863”计划项目的支持。
在高性能热电材料的研究方面，张清杰教授与团队成员合作，根据国家对热电材料科学技术发展提出的重大需求，提出通过研究在不同尺度下（原子—分子、纳米—介观和亚微观尺度）热电材料的电热协同输运规律，特别是低维结构和复合结构中新的物理效应对电热输运过程的影响规律，研究热电材料微结构的形成规律与控制原理及热电材料的制备新技术，大幅度提高热电材料性能和发展新的热电材料体系的科学思想，这一科学思想得到国家“973”计划项目的支持。作为“973”计划项目《高效热电转换材料及器件的基础研究》的首席科学家，张清杰教授与团队成员合作，提出并建立了非平衡状态下纳米晶热电材料制备新方法、应力诱导低维结构热电材料制备新方法、交叉共沉淀结合放电等离子体快速致密化制备纳米晶热电材料的新方法以及它们的集成制备技术，研制的p型和n型填充式CoSb3热电材料的最大性能优值ZT分别达到1.2（800K）和1.45（800K），p型Bi2Te3系热电材料的最大性能优值ZT达到1.56（300K）；发现并在国际上首次报道了(Ba,In)填充CoSb3热电材料具有功率因子大幅度提高、热导率显著降低的电热协同输运现象，提出了一种解释这种电热协同输运特性的电子轨道杂化理论模型，发现(Ba,In)填充CoSb3中Ba填充引起Sb4四元环缩小和变方同时产生Ba向Sb的电荷转移，In填充引起Sb4四元环增大和变方同时产生由Sb向In的电荷转移，两种晶格畸变导致材料热导率显著降低，两种电荷转移形式导致材料功率因子显著增大，这一成果已在国际著名期刊J. Am. Chem. Soc.上发表。
在先进复合材料技术及应用的研究方面，张清杰教授与团队成员合作，对由陶瓷和金属等二相或多相不同材料组成的复杂微观结构的描述及其温度场、应力场和热传导分析等问题进行了系统深入的研究，提出了复杂非均质微观结构的三相平均场理论模型、温度场和应力场之间的耦合分析模型以及热传导与损伤之间的耦合分析模型等，这些模型已被该领域的国际学者所引用并用于指导先进复合材料的设计和研制。相关研究成果2001年获得湖北省自然科学一等奖。


教育经历
1978.02-1982.01  洛阳工学院机制专业
1982.02-1984.06  华中理工大学船舶结构与力学专业硕士研究生
1987.02-1990.10  华中理工大学船舶结构力学专业博士研究生
工作经历
1984.07-1987.01  中国船舶工业总公司七0 一研究所工作
1990.10-1992.10  武汉工业大学材料科学与工程博士后流动站
1992.10-1994.11  武汉工业大学副教授、结构工程与力学系副主任
1994.08-1995-08  武汉工业大学教授、博导、研究生处处长、
1995.09- 1997.10  武汉工业大学教授、博导、校长助理兼研究生处处长
1997.11-2000.05  武汉工业大学教授、博导、副校长、党委常委
2000.06~2010.05  武汉理工大学材料学科首席教授、博导、副校长、党委常委
2010.06~至今     武汉理工大学材料学科首席教授、博导、校长、党委常委
研究领域
1、新能源材料（高效热电材料）及其发电系统
2、先进复合材料技术及应用
3、先进功能材料微观力学与性能的理论预测
科研项目
1、国家自然科学基金重点项目：高效热电材料及其应用中的关键力学问题研究，项目负责人
2、国家重点基础研究发展计划（“973”计划）项目：高效热电转换材料及器件的基础研究，项目首席科学家
3、国家自然科学基金委员会重大国际合作研究项目：纳米和梯度热电材料与太阳能光电•热电•风力发电系统，项目负责人
4、科技部重大国际合作研究项目：5~10 kW高效低成本太阳能热电-光电复合发电示范系统研制，项目负责人
5、国家“111”计划项目：材料复合新技术与先进功能材料科学创新引智基地，项目负责人
代表性论文及著作
[1] Wenyu Zhao, Ping Wei, Qingjie Zhang, Chunlei Dong, Lisheng Liu, Xinfeng Tang.Enhanced thermoelectric performance in barium and indium double-filled skutterudite bulk materials via orbital hybridization induced by indium filler. Journal of American Chemical Society, 2009, 131(10): 3713-3720
[2] Han Li, Xinfeng Tang, Qingjie Zhang, Ctirad Uher. High performance InxCeyCo4Sb12 thermoelectric materials with in situ forming nanostructured InSb phase. Applied Physics Letters, 2009, 94(10):102114-1-3
[3] Wenjie Xie, Xinfeng Tang, Yonggao Yan, Qingjie Zhang, Terry M. Tritt. Unique nanostructures and enhanced thermoelectric performance of melt-spun BiSbTe alloys. Applied Physics Letters, 2009, 94(10):102111-1-3
[4] Wenjie Xie, Xinfeng Tang, Yonggao Yan, Qingjie Zhang, Terry M. Tritt. High thermoelectric performance BiSbTe alloy with unique low-dimensional structure. Journal of Applied Physics, 2009, 105(11):113713-1-8
[5] Han Li, Xinfeng Tang, Qingjie Zhang, Ctirad Uher. Rapid preparation method of bulk nanostructured Yb0.3Co4Sb12+y compounds and their improved thermoelectric performance.Applied Physics Letters, 2008, 93(25):252109-1-3
[6] Ying Chu, Xinfeng Tang, Wenyu Zhao, Qingjie Zhang. Synthesis and Growth of Rod-like and Spherical Nanostructures CoSb3 via Ethanol Sol-Gel Method, Crystal Growth & Design, 8 (2008), 208-210.
[7] Xinfeng Tang, Wenjie Xie, Han Li, Wenyu Zhao, Qingjie Zhang, Masayuki Niino. Preparation and thermoelectric transport properties of high-performance p-type Bi2Te3 with layered nanostructure. Applied Physics Letters, 2007, 90(1):012102-1-3
[8] Shukang Deng, Xinfeng Tang, Peng Li, Qingjie Zhang. High temperature thermoelectric transport properties of p-type Ba8Ga16AlxGe30-x type-I clathrates with high performance. Journal of Applied Physics, 2008, 103(7):073503-1-6
[9] Wenyu Zhao, Chunlei Dong, Ping Wei, Wei Guan, Lisheng Liu, Pengcheng Zhai, Xinfeng Tang, Qingjie Zhang. Synthesis and high temperature transport properties of barium and indium double-filled skutterudites BaxInyCo4Sb12-z. Journal of Applied Physics, 2007, 102(11): 113708-1-6
[10] Pengcheng Zhai, Wenyu. Zhao, Yao Li, Lisheng Liu, Xinfeng Tang, Qingjie Zhang, M. Niino. Nanostructures and enhanced thermoelectric properties in Ce-filled skutterudite bulk materials. Applied Physics Letters, 2006, 89(5): 052111-1-3.
联系方式
地址：武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室新材所5楼
电话：027-87651457
传真：027-87867199
E-mail：zhangqj@whut.edu.cn

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近年来，随着化石能源储量的逐渐减少以及化石能源的大量使用，环境、气候等问题日趋严重，发展新型可再生能源以及开发新能源技术受到了国际社会的高度关注。以热电材料为核心的热电转换技术能够将热能直接转换成电能，在转换过程中无噪音和有害物质的排放，是一种非常重要的清洁、环保的新能源技术。

热电转换技术的转换效率取决于热电材料的无量纲优值ZT的大小，ZT值越大，转换效率越高；其中，ZT=a2sT/(kL+ke)（a：材料的Seebeck系数，s：材料的电导率，kL：材料的晶格热导率，ke：材料的电子热导率），高的转换效率要求材料具有高的Seebeck系数和电导率以及低的热导率。然而，由于材料中电子和声子输运本征上的相互耦合，这三个物理参数强烈关联在一起；提高（降低）材料的电导率，会相应引起Seebeck系数的减小（增大）以及电子热导率和总热导率的提高（降低）。因而，大幅提高材料的ZT值要求实现材料电输运和热输运的部分解耦以及各物理参数的单独优化。

目前广泛研究的热电材料主要有PbTe，Bi2Te3、方钴矿等材料，但这些材料多含有毒重金属元素、稀缺的Te元素等，极大阻碍了这些材料的大规模商业应用。相对而言，Mg2Si基材料具有组成元素地壳储量丰富、环境友好以及密度低等特点和优势，因而具有非常好的应用前景。Mg2Si基材料目前存在的主要问题包括以下两个方面：一是材料的热电性能还不够高；二是与热电器件应用相关的材料机械性能和热稳定性有待进一步优化。

Mg2Si1-xSnx固溶体中，固溶合金化引入了大量点缺陷结构可大幅降低晶格热导率（kL），另外，Sn含量改变可调节导带结构的收敛和优化材料的电性能；在Sn含量x = 0.7时，轻导带（LCB）和重导带（HCB）发生有效简并的Mg2Si0.3Sn0.7化合物获得最优的功率因子PF（PF =α 2σ）以及大幅降低的kL，进而获得显著提高的热电优值ZT。

针对Mg2Si基材料热电性能不够高的难题，目前的研究通过能带结构工程来提高材料的功率因子（PF=a2s）以及通过固溶合金化手段来降低材料的晶格热导率（kL）。通过获得Mg2Si1-xSnx固溶体，材料的kL得到了显著的降低，在合金化声子散射强度最大的组分x» 0.5处得到最低的kL。随着Sn含量的提高，轻重导带发生收敛，且在x = 0.7时，Mg2Si0.3Sn0.7固溶体中轻重导带发生有效简并，此时材料的Seebeck系数获得显著提高而电导率并没有衰减，因而材料的PF得到了大幅提高。因而，Sn含量调控可实现固溶体中电-热输运性质的部分解耦以及共同优化。能带结构随组分发生收敛的显著优势在于PF和ZT值在整个测量温度范围内以及在很宽的载流子浓度范围内都获得了显著优化，这相比能带结构随温度发生收敛以及局域共振电子态效应具有明显的优势。结合掺杂优化载流子浓度和Sn含量优化，导带结构发生简并的Mg2Si0.3Sn0.7组分的最高ZT值和ZTave.值分别为1.3和1.0，相比双导带没有发生收敛的Mg2Si0.8Sn0.2组分提高幅度分别为~50%和~100%。在三元的Mg2Ge1-xSnx固溶体和四元的Mg2Si1-x-yGexSny中也发现了类似的性能优化途径。

热电器件的开发要求材料具有优异的机械性能和良好的热稳定性。高韧性的SiC和CaSO4的复合显著提高了Mg2Si基材料的机械性能。少量（0.8at%）SiC纳米颗粒和纳米线的复合可使Mg2Si0.3Sn0.7固溶体的断裂韧性提高约50%，同时由于SiC具有极高的强度，材料的压缩强度也提高了近30%，接近于力学性能优异的MnSi1.70+d材料的水平。BN涂层保护的Mg2Si0.3Sn0.7固溶体表现出良好的热稳定性，在热电器件使用温度773K下空气中退火720h后材料的热电性能没有衰减，这充分说明了BN涂层对Mg2Si0.3Sn0.7固溶体的有效保护。

NSR最近发表的由武汉理工大学张清杰教授、唐新峰教授和美国密歇根大学Ctirad Uher教授共同撰写的综述论文“Eco-friendly high-performance silicide thermoelectric　materials”。作者着重介绍了通过能带结构优化提高Mg2Si基热电材料热电性能的方法，并回顾了近期这类材料的可控制备、电-热输运性能调控、机械性能和热稳定性优化等的最新实验和理论进展。

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近日，我校理学院李国栋教授所在科研团队，在国际顶级期刊《Materials Science and Engineering: R: Reports》上发表了题为“Fracture toughness of thermoelectric materials”的综述性文章。论文第一作者为李国栋教授，共同通讯作者为我校张清杰院士、美国加州理工学院William. A Goddard III教授和美国西北大学G. Jeff Snyder教授。
　　热电器件的工程应用要求热电材料兼具高的热电性能和优异的强、韧性等力学性能。过去20年，热电材料的热、电传输特性研究已取得重大进展，材料的热电性能显著提高，热电材料已在新能源、环境和致冷等领域得到工程应用。但是，热电材料强、韧性等力学性能研究相对滞后，制约了热电材料的大规模商业应用。
　　李国栋教授所在团队近10年来一直致力于热电材料的强、韧性及协同调控机理的研究工作，发展了一种新的积分应力-位移方法，根据材料的本征力学行为来计算宏观尺度的断裂韧性，这将有助于在材料力学和热电领域开辟一个新的交叉方向。
　　这篇综述从三个方面对热电材料断裂韧性的研究工作和最新进展进行了总结，一是本征力学行为预测热电材料断裂韧性的理论方法，二是热电材料的本征力学行为和结构破坏机理，三是纳米孪生和纳米复合材料策略提高热电材料的机械强度和断裂韧性。

图1. 积分应力-位移方法

图2. 积分理想应力-位移法计算的断裂韧性值与实验值比较

　　《Materials Science and Engineering R》是材料和应用物理等领域的国际著名综合性期刊，仅发表材料科学与工程相关领域的综述性论文，重点关注领域内当前研究热点与进展、材料的工程应用趋势、以及未来的发展前景等。每年发表约20篇论文，对相关领域的发展具有重要的引领作用。
　　论文链接：https://doi.org/10.1016/j.mser.2021.100607