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纳米至亚微米Bi_2O_3-Ln_2O_3(Ln=Y、Er、Dy)氧离子导体晶粒尺寸对性能的影响

李榕  
【摘要】:Bi_2O_3基材料在中温条件下具有很高的氧离子导电性能,有望成为在中温条件下使用的氧离子导体陶瓷材料。其中,δ-Bi_(2-x)Ln_xO_3(Ln= Y、Er、Dy)体系由于具有优良的氧离子导电性能而被广泛关注。对纳米晶陶瓷材料的研究发现晶粒的细化可以大幅度地提高结构陶瓷材料的强度、韧性和塑性等力学性能,并将显著影响功能陶瓷材料的电学、磁学等性能。对于氧离子导体陶瓷材料在中高温条件下的实际应用,除了要求其具有优良的氧离子导电性能之外,同时也应当具备良好的力学性能。因此,面对实际应用,结构、功能一体化的陶瓷材料是今后功能陶瓷材料发展的一个重要的方向。为了改善δ-Bi_(2-x)Ln_xO_3氧离子导体功能陶瓷的力学性能,同时研究晶粒细化对氧离子电导率的影响规律,本文中制备了纳米到微米晶的δ-Bi_(2-x)Ln_xO_3氧离子导体材料,并分别研究了晶粒尺寸变化对材料力学性能和氧离子电导率的影响规律。 通过对水溶液体系中各个反应的热力学计算,给出了反应体系中各个物种稳定存在的pH值条件。采用反向滴定化学共沉淀法,在pH=11.5的条件下制备出(Bi_2O_3)_(0.75)(Ln_2O_3)_(0.25)的前驱体。以(Bi_2O_3)_(0.75)(Dy_2O_3)_(0.25)为例,通过热重和气相质谱联用(TG-MS),高温XRD,Raman详细研究了前驱体的物相组成和热分解行为。 (Bi_2O_3)_(0.75)(Ln_2O_3)_(0.25)前驱体在500°C焙烧3h后可得到分散性良好,颗粒近球型的β相(Bi_2O_3)_(0.75)(Dy_2O_3)_(0.25)、(Bi_2O_3)_(0.75)(Y_2O_3)_(0.25)、(Bi_2O_3)_(0.75)(Er_2O_3)_(0.25)和(Bi_2O_3)_(0.75)(Er_2O_3)_(0.125)(Y_2O_3)_(0.125)纳米粉体,平均晶粒尺寸分别为17nm、12nm、10 nm和11nm。 通过热力学计算给出了(Bi_2O_3)_(0.75)(Ln_2O_3)_(0.25)体系在高温低氧分压条件下的热力学参数状态图,确定了放电等离子体烧结的适宜的温度和氧分压条件。采用放电等离子体烧结方法成功制备出最小晶粒尺寸的δ-(Bi_2O_3)_(0.75)(Ln_2O_3)_(0.25)氧离子导体材料,材料相对密度均在95%以上,微观结构致密,晶粒尺寸为20nm左右,大小均匀。 通过无压烧结获得了相对密度高于94% ,晶粒尺寸不同的(Bi_2O_3)_(0.75)(Ln_2O_3)_(0.25)氧离子导体材料,并对烧结过程中材料的晶粒生长规律和致密化规律做了研究。结果表明在烧结过程中,晶粒的生长遵循抛物线规律,可表达为D~2 - D_0~2=kt。(Bi_2O_3)_(0.75)(Dy_2O_3)_(0.25)、(Bi_2O_3)_(0.75)(Er_2O_3)_(0.25)和(Bi_2O_3)_(0.75)(Er_2O_3)_(0.125)(Y_2O_3)_(0.125)材料的晶粒生长表观活化能ΔE分别为280 kJ/mol、120.60 kJ/mol和88.30 kJ/mol。对无压烧结获得的不同晶粒尺寸的(Bi_2O_3)_(0.75)(Ln_2O_3)_(0.25)样品的维氏硬度和断裂韧性的研究表明,随着晶粒尺寸的减小,材料的维氏硬度和断裂韧性相应的有明显提高的趋势。 通过交流阻抗谱法研究了不同晶粒尺寸的(Bi_2O_3)_(0.75)(Ln_2O_3)_(0.25)材料在室温~500°C温度范围内的氧离子电导率,结果表明:在测量的晶粒尺寸范围20nm~1μm内,材料的总电导率随晶粒尺寸的减小而降低,当晶粒尺寸下降到20nm左右时,电导率的下降最为明显。对于晶粒尺寸最小的(Bi_2O_3)_(0.75)(Ln_2O_3)_(0.25) (Ln= Y、Er、Dy)材料,在300°C和500°C时,掺杂Y的样品表现出最高的总电导率,之后依次是掺杂Dy、Er和Er+Y的材料。对不同晶粒尺寸的(Bi_2O_3)_(0.75)(Dy_2O_3)_(0.25)材料的阻抗谱曲线的分析发现在测试的温度范围200~500°C内,晶粒半圆和晶界半圆无法分离。 建立了多晶均质固体电解质的结构模型和等效电路模型,讨论了晶粒尺寸对材料电导率的影响规律。对于(Bi_2O_3)_(0.75)(Ln_2O_3)_(0.25)氧离子导体材料,使用该模型分析的结论和实验得到的结果相一致。


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