热电材料可以实现热能与电能之间的相互转化,且具有无需维护、使用寿命长及可微型化制造等优点,被广泛地应用于废热回收及芯片制冷等研究领域。热电器件在制备和使用的过程中,微裂纹的萌生是不可避免的,随着微裂纹的扩展将进一步导致热电器件发生脱层、屈曲及疲劳破坏等问题,降低热电器件的能量转化性能甚至直接导致热电器件失效。目前,国内外关于热电器件由分层开裂导致的力学失效问题的研究十分匮乏,急需提供相应的理论对热电器件的设计进行指导。此外,传统的块体热电器件由于能量转化效率低,无法进行大规模的商业生产和应用。因此,研究热电器件由分层开裂导致的力学失效问题,并对热电器件进行优化设计以获得最大的能量转化效率,具有重要的理论意义和实用价值。基于热弹性理论和断裂理论,本文主要研究热电器件由分层开裂导致的力学失效问题和能量转化效率。具体内容如下:分析了多层热电器件的脱层行为。利用能量守恒原理、摄动法和有限差分法,获得了多层热电器件的温度场。研究发现,当忽略热电器件的材料属性温度相关性时,能量转化效率的略微小于实际情况;热辐射和对流传热可以提高热电器件的能量转化效率。基于未脱层部分界面处的位移/应变相容条件以及力的平衡条件,建立了多层热电器件的变形协调方程,确定了热电器件的脱层临界温度荷载。结果表明,当忽略材料属性温度相关性时,热电器件的轴向热应力和层间剪切应力远小于实际情况,而裂纹扩展的临界温度荷载则远大于实际情况。这意味着在实际应用中,对热电器件进行安全性设计时,必需考虑材料属性的温度相关性。随着脱层裂纹的扩展,多层热电器件会发生屈曲变形,本文探究了多层热电器件由脱层导致的屈曲行为。基于变形协调和力的平衡条件,确定了多层热电器件的屈曲挠度及屈曲临界温度荷载。研究表明,热电器件的屈曲挠度随着温度荷载、电流密度以及屈曲部分长度的增加而变大;屈曲时热电器件的轴向力随着温度荷载以及电流密度的增加而变大;当屈曲部分的长度增加时,热电器件的轴向力却不断减小。接着,利用两端固定的薄板模型,研究了热电器件的制冷性能。结果表明,屈曲会降低热电器件的制冷性能。为了提高能量转化效率,本文采用了多孔热电泡沫结构,探究了环形多孔热电器件的输出功率及热冲击断裂行为。根据气-固耦合的热非平衡条件,建立了环形多孔热电器件的输出功率控制方程,证实了使用多孔热电结构的优越性,给出了可快速预估输出功率的简便公式,确定了使环形多孔热电器件取得最大输出功率时的孔隙率。基于能量法研究了环形多孔热电器件的热冲击断裂问题,给出了裂纹扩展时的临界热流荷载表达式。研究发现,裂纹扩展的临界热流荷载与孔隙率成反比;当多孔热电器件的孔隙率较小时,输出功率随裂纹长度呈现先增加后减小的趋势;当多孔热电器件的孔隙率较大时,输出功率随裂纹长度的增加而减小。最后从结构上对热电器件进行了优化设计,提出了分段式光伏-热电混合发电结构,研究了能量转化效率及疲劳寿命。根据光电效应、热电效应及热传导定律,确定了混合发电结构的能量转化效率。结果表明,使用分段式热电结构可以有效地提高混合发电结构的能量转化效率;当太阳能电池的参考能量转化效率较大时,热辐射和对流提高混合发电结构的能量转化效率;当太阳能电池的参考能量转化效率较小时,混合发电结构的能量转化效率随热辐射和对流的增强而降低。利用弹性力学导出了混合发电结构的层间应力,并结合叠加原理及帕里斯定律,确定了混合发电结构的疲劳寿命。研究发现,热辐射和对流可以提高混合发电结构的疲劳寿命。通过对热电腿的结构进行优化设计,提高了混合发电结构的能量转化效率和疲劳寿命。