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固态电解质材料YSZ的分子动力学模拟

王家林  
【摘要】:固体态氧化物燃料电池(SOFC)是一种将化学能直接转化为电能的设备,是新一代清洁、高效和环保的能源产生方式之一。SOFC通常具有由阳极-电解质-阴极组成的“三明治”结构,电解质薄膜夹在阴极和阳极之间,起到输运氧离子导电和阻止电子导电的作用。实际上,固态电解质之所以能够输运氧离子是在于其内部存在大量氧空位,一方面,氧空位的存在为氧离子的输运提供了通道,但另一方面,氧空位作为一种点缺陷会对电解质的力学性能造成严重的影响。故本文利用分子动力学方法(MD)系统性地研究了一类固态电解质钇稳定氧化锆(YSZ)的氧输运性能和力学性质。首先,利用分子动力学方法分析了温度和氧化钇(Y_2O_3)掺杂浓度对YSZ的晶格常数的影响,并将具体的计算结果与文献实验数据和模拟结果进行了比较,确定了所选势能函数及相应参数的有效性。此外,还对热膨胀系数进行了计算。其次,利用分子动力学对YSZ材料中的氧离子的扩散性质进行了系统性地研究,具体分析了温度、Y_2O_3掺杂浓度、加载状态、电场、晶界等因素对氧离子输运性质的影响,并对这些因素的影响做出了微观角度的解释。最后,利用分子动力学系统性地模拟了YSZ材料的拉伸和压缩过程,得到了不同温度和掺杂浓度下YSZ的应力-应变曲线,并对YSZ的基体材料氧化锆(ZrO_2)在拉伸过程中的相变行为进行了分析。通过线性拟合弹性阶段的应力-应变数据得到了相应条件下的杨氏模量,此外,还从应力-应变曲线直接得到了相应条件下YSZ的断裂强度,分析了温度和掺杂浓度对杨氏模量和断裂强度的影响。


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