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《大连交通大学》 2006年
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凝胶注模制备YSZ-TZP电解质薄片及其性能研究

李平云  
【摘要】:本文研究了凝胶注模工艺制备固体氧化物燃料电池YSZ-TZP固体电解质材料的工艺过程,对浆料的制备、薄片的成型、材料的烧结致密化过程进行了探讨,利用XRD、SEM等测试技术对所制备的材料的相组成与显微结构进行了分析,研究了材料的力学和电学性能。 通过对YSZ-TZP浆料的稳定性与流动性的研究,确定了有关参数如pH值、分散剂含量对浆料稳定性与流动性的影响。YSZ粉体的等电点在6.8,TZP粉体的等电点在8.8。分散剂能显著改变两种粉体的表面电动特性,使这两种粉体的等电点都位于2附近。浆料在碱性范围内是稳定的,pH=8-10范围内最稳定。分散剂使浆料的粘度先减小后增大,存在一个最佳的分散剂浓度。浆料的体积固含量可达到50%。制备YSZ-TZP浆料的最佳实验条件为:pH=8-10,分散剂含量0.1wt%,球磨时间24h。制备出了厚度小于1mm的电解质薄片。 研究了浆料的凝胶化过程。采用丙烯酰胺体系,加热凝胶的方式。成型的坯体表面平整、柔韧性好、有一定的强度、显微结构均匀。 对材料的烧结致密化过程进行了探讨。研究表明,YSZ材料的密度随烧结温度增加而增大。TZP的加入能降低烧结温度,提高材料密度和收缩率,促进致密化过程。YSZ烧结体中晶相为立方相,YSZ-TZP烧结体中晶相为立方相和四方相,坯体中存在单斜相,烧结体中不存在。YSZ中晶粒多为等轴六边形,晶粒形态规则完整,气孔主要出现在晶界处。加入TZP后,晶粒偏移六边形,小晶粒位于大晶粒之间,气孔主要位于晶粒内部。TZP含量达到20%时,晶界多为平直晶界。 研究了材料的力学和电学性能。随着TZP含量的增大,材料的硬度和断裂韧性都有所增大,特别是断裂韧性。YSZ的断裂韧性只有1.94MPa·m~(1/2),加入10vol%的TZP后,断裂韧性达到3.44MPa·m~(1/2),加入20vol%的TZP,断裂韧性达到5.13MPa·m~(1/2)。YSZ材料裂纹扩展方式为穿晶扩展,加入TZP后仍以穿晶扩展为主。裂纹偏转和分又是增韧的主要机制。加入30%的TZP后,断裂韧性反而有所下降,可能是由材料过烧所致,但裂韧性仍高于YSZ。抗弯强度也有类似趋势。TZP的加入降低了材料的电导率,使用时应综合考虑材料的力学和电学性能要求。
【学位授予单位】:大连交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TB34

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