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

1、8 mol％Y2O3穩(wěn)定的ZrO2(8YSZ)材料具有優(yōu)良的離子導(dǎo)電性能，在氧傳感器、高溫燃料電池及電化學(xué)氧泵等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為解決目前8YSZ材料存在的機(jī)械性能偏低、抗老化及抗熱震性能偏差等問(wèn)題，本文研制了高致密、細(xì)晶粒的ZrO2-HfO2-Y2O3復(fù)合固體電解質(zhì)材料，并對(duì)相關(guān)的制備工藝、材料的性能進(jìn)行了研究。 本文采用反向滴定共沉淀-共沸蒸餾法成功地制備出了比表面積為65 m2/g、平均粒徑為15 nm的單一立方相無(wú)團(tuán)聚

2、ZrO2-10 mol％HfO2-10 mol％Y2O3復(fù)合納米粉體，借助XRD、TEM、BET等手段全面考察了制備工藝對(duì)粉體晶粒度、粒徑和分散性能的影響。并以該復(fù)合粉體為原料采用無(wú)壓燒結(jié)工藝制備了高致密、細(xì)晶粒的ZrO2-HfO2-Y2O3復(fù)合固體電解質(zhì)材料，對(duì)燒結(jié)過(guò)程中試樣的晶粒生長(zhǎng)和致密化行為以及材料的離子電導(dǎo)率、力學(xué)性能及其與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系等方面進(jìn)行了研究。 反向滴定共沉淀-共沸蒸餾法制備ZrO2-HfO2-Y2O3復(fù)合

3、粉體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分散劑PEG6000的加入量(0～1.5wt％)及前驅(qū)體濕凝膠的處理方式對(duì)最終制備的ZrO2-HfO2-Y2O3復(fù)合粉體的晶粒度影響不大，但顯著影響粉體的分散狀態(tài)。分散劑加入量為1wt％并對(duì)濕凝膠共沸蒸餾處理?xiàng)l件下最終獲得的粉體的分散性最好。 在1100℃、1200℃和1250℃的等溫?zé)o壓燒結(jié)實(shí)驗(yàn)表明，隨著保溫時(shí)間的增加，ZrO2-HfO2-Y2O3復(fù)合固體電解質(zhì)試樣的平均晶粒尺寸呈現(xiàn)出拋物線變化趨勢(shì)，晶粒生

4、長(zhǎng)表觀活化能為245 kJ·mol-1；在98.8％理論密度以下的中、后期恒溫階段，試樣相對(duì)密度與燒結(jié)時(shí)間對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。利用無(wú)壓燒結(jié)工藝制備高致密細(xì)晶ZrO2-HfO2-Y2O3復(fù)合固體電解質(zhì)材料的適宜燒結(jié)條件是：燒結(jié)溫度1250℃左右，保溫時(shí)間約120 min。在此條件下，燒結(jié)試樣相對(duì)密度可達(dá)98.8％，平均晶粒度為550 nm，表現(xiàn)出最佳的電導(dǎo)性能和力學(xué)性能。 交流阻抗譜測(cè)試結(jié)果表明，超細(xì)晶ZrO2-HfO2-Y2O3復(fù)合

5、電解質(zhì)材料電導(dǎo)率隨溫度升高迅速增大，至800℃時(shí)可達(dá)10-2S·cm-1以上。材料總電導(dǎo)率主要取決于晶界電導(dǎo)率而不是晶粒電導(dǎo)率，呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)粗晶材料完全相反的電導(dǎo)特性。在96.9～99.1％的相對(duì)密度范圍內(nèi)，晶粒電導(dǎo)率隨試樣相對(duì)密度的提高線性增大，而在0.3～1μm的亞微米尺度范圍內(nèi)晶粒長(zhǎng)大對(duì)晶粒電導(dǎo)率影響不大；晶界電導(dǎo)率則同時(shí)受材料相對(duì)密度和晶粒大小的影響，隨著相對(duì)密度的增加和晶粒的長(zhǎng)大呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)的晶界電導(dǎo)活化能和總