高致密納米晶ZrO-,2--HfO-,2--Y-,2-O-,3--Sc-,2-O-,3-復(fù)合固體電解質(zhì)的制備及性能研究.pdf

1、氧化鋯基固體電解質(zhì)是一類(lèi)研究最多、應(yīng)用最廣泛的氧離子導(dǎo)體材料，它擁有較高的離子電導(dǎo)率和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但是目前氧化鋯基材料普遍存在工作溫度高，使用壽命短，靈敏度差等等缺點(diǎn)。為提高氧化鋯基固體電解質(zhì)的氧離子電導(dǎo)性能和材料的力學(xué)性能，本文用加熱醇水溶液的溶膠．凝膠法制得了具有良好分散性的納米級(jí)氧化鋯基粉體，對(duì)粉體進(jìn)行表面處理研究，并用改變升溫速率的無(wú)壓燒結(jié)方法制得了高致密細(xì)晶ZrO<,2>-HfO<,2>-Y<,2>O<,3>-Sc<,2

2、>O<,3>固體電解質(zhì)。對(duì)四元體系的配比進(jìn)行調(diào)整，確定了具有最優(yōu)良離子電導(dǎo)率的四元ZrO<,2>基材料。 用醇-水溶液加熱溶膠．凝膠法制得的分散性良好的納米級(jí)ZrO<,2>-HfO<,2>-Y<,2>O<,3>-Sc<,2>O<,3>粉體，利用TG-DSC對(duì)干燥后粉體的熱變化規(guī)律進(jìn)行分析，X-Ray、SEM對(duì)最終粉體的形貌、粒徑、分散狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，確定最佳制備工藝為：醇水比為5：1，溶液中金屬離子濃度為0.5mol/L，表面活性

3、劑加入量為1wt％，溶液pH=12。制得的ZrO<,2>-HfO<,2>-Y<,2>O<,3>-Sc<,2>O<,3>粉體粒徑小，平均粒徑為13nm，分散性好，經(jīng)620℃煅燒后可以得到單一立方相固溶體。這為制備納米晶固體電解質(zhì)創(chuàng)造了有利的條件。 采用上述方法制得的粉體為原料，對(duì)粉體進(jìn)行乙醇球磨改性處理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整燒結(jié)工藝無(wú)壓燒結(jié)，經(jīng)1200℃煅燒4h后燒結(jié)體致密度可達(dá)到99％，晶粒尺寸小于100nm。對(duì)粉體進(jìn)行改性處理

4、可以降低燒結(jié)溫度，提高燒結(jié)體致密度，同時(shí)降低了燒結(jié)體內(nèi)晶粒尺寸。在較低溫度下對(duì)試樣進(jìn)行長(zhǎng)期保溫并在高溫時(shí)降低燒結(jié)升溫速率可使試樣中有機(jī)物充分揮發(fā)并充分排除燒結(jié)體中氣孔，更有利于試樣致密化。 對(duì)用上述無(wú)壓燒結(jié)方法制備出的 ZrO<,2>-HfO<,2>-Y<,2>O<,3>-Sc<,2>O<,3>高致密細(xì)晶固體電解質(zhì)進(jìn)行熱震實(shí)驗(yàn)，逐漸升高熱震溫度，材料斷裂韌性呈先升緩慢增長(zhǎng)后降低趨勢(shì)，室溫下斷裂韌性為2.09MPam<'1/2>，

5、這高于傳統(tǒng)微米材料的斷裂韌性。400℃熱震處理后達(dá)到最高值為2.3MPam<'1/2>。熱震會(huì)使材料中產(chǎn)生大量的微裂紋，熱震溫差加大，微裂紋數(shù)量增多，產(chǎn)生微裂紋增韌效果，隨著熱震溫差的繼續(xù)增大，裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴(kuò)展，斷裂韌性下降。 對(duì)不同配比的ZrO<,2>-HfO<,2>-Y<,2>O<,3>-Sc<,2>O<,3>高致密細(xì)晶固體電解質(zhì)進(jìn)行交流阻抗譜測(cè)試，分別研究了該體系電導(dǎo)率隨HfO<,2>、Y<,2>O<,3>/Sc<,2>O