Bi2O3-YSZ固體電解質(zhì)材料的制備與性能表征.pdf

1、氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)憑借著其優(yōu)秀的耐氧化和耐腐蝕性能、較高的氧離子導(dǎo)電率以及不與電極材料發(fā)生反應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為目前用于氧傳感器和固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，即SOFC，一種可以將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置）最常見的電解質(zhì)材料。但是，YSZ材料在實(shí)際運(yùn)行的過程中，需要有專門的加熱設(shè)備，工作溫度較高（通常＞800℃），這嚴(yán)重阻礙了其在民用領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)程。如果能將氧傳感器和固體氧化物燃料電池的工作溫

2、度下降到500-800℃的中溫區(qū)，那么不僅能夠降低對材料的性能要求和成本，提高電極和電池的穩(wěn)定性，延長電池的壽命，而且有利于SOFC的規(guī)模化和民用化發(fā)展。因此，通過對YSZ材料的摻雜改性、優(yōu)化成型方式及燒結(jié)制度等方法來達(dá)到降低其工作溫度的研究，已成為材料領(lǐng)域科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。
　　本文所做的工作是分別用化學(xué)沉淀法和濕法球磨法對YSZ材料進(jìn)行不同含量Bi2O3的摻雜，對得到的燒成體的致密度、成分組成、微觀結(jié)構(gòu)形貌及抗熱震性進(jìn)行測

3、試分析，研究Bi2O3-Y2O3-ZrO2三元體系材料的摻雜固溶原理，對一維棒狀Bi2O3材料的生長機(jī)制、用于凝膠注模的YSZ料漿的成型性和氧化物固體燃料電池電解質(zhì)材料的成分優(yōu)化進(jìn)行探討，為研究YSZ材料的摻雜改性提供更加深入的理論分析與實(shí)驗(yàn)探索，促進(jìn)固體電解質(zhì)材料和氣敏陶瓷的應(yīng)用發(fā)展。
　　通過化學(xué)沉淀法可以在液相中一步制得Bi2O3/YSZ復(fù)合粉體，其中Bi2O3是通過水解反應(yīng)與脫水縮聚而生成的;Bi2O3在液相中結(jié)晶時(shí)，在一

4、維方向上有強(qiáng)烈的生長趨勢從而形成棒狀晶體，這與其晶體結(jié)構(gòu)、表面能有關(guān);溫度、Bi2O3濃度對粉體形貌均有影響:高溫、高濃度會(huì)增強(qiáng)Bi2O3在一維方向上的生長趨勢，棒狀Bi2O3的長度、直徑都會(huì)增加，這將不利于Bi2O3/YSZ復(fù)合粉體的制備。在低溫摩爾分?jǐn)?shù)＜1％時(shí)制得的Bi2O3/YSZ復(fù)合粉體中，Bi2O3與YSZ均為粒徑較小的顆粒，分散均勻;當(dāng)原料配比、溫度或者分散劑種類改變時(shí)，能夠得到一維棒狀Bi2O3。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，推測定向附著

5、與奧斯特瓦爾德熟化的共同作用為一維棒狀Bi2O3的生長機(jī)制。
　　在凝膠注模實(shí)驗(yàn)中選用粒徑大小為D50=2.5μm的3YSZ，分散劑體積含量為15vol.％，固相含量為50vol.％，此時(shí)料漿穩(wěn)定性、流動(dòng)性好，粘度為510 mpa·s。引發(fā)劑濃度設(shè)定為1.24vol.％、催化劑設(shè)定為1vol.％，凝膠時(shí)間控制在20min，約15h后脫模，高濕環(huán)境下干燥24h后，可得到變形較小、不易開裂的濕坯。
　　Bi2O3作為助燒劑能夠有