碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷的制备与电学性能

论文摘要

本文采用高温固相反应法制备了碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷,包括4个材料体系:（1） Yb3+与Mg2+共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷,（2） Yb3+与Ca2+共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷,（3） Dy3+与Mg2+共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷,（4） Dy3+与Ca2+共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷。采用XRD、SEM和EDS等对制备的碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷的组织结构进行分析,采用交流阻抗谱仪对其电性能进行分析。在4个材料体系中,只有Yb3+与Mg2+共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷为完全固溶体,其余3个体系中都出现了第二相。在SmYb1-xMgxZr2O7-x/2陶瓷中第二相为未固溶的MgO,含量较少;在SmDy1-xCaxZr2O7-x/2和SmDy1-xCaxZr2O7-x/2陶瓷中,第二相为反应生成的CaZrO3,含量较多。这表明相对于Ca2+离子而言,Mg2+离子更容易固溶进入Sm2Zr2O7晶格中。通过固相反应法制备的碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷块体致密度都较高,致密度均在92%以上。采用固相反应法制备的SmYb1-xMgxZr2O7-x/2、SmYb1-xCaxZr2O7-x/2、SmDy1-xMgxZr2O7-x/2和SmDy1-xCaxZr2O7-x/2陶瓷块体的晶体结构由A2Zr2O7中A位平均阳离子半径与Zr4+离子半径的比值rυ（An+）/r(Zr4+)决定。当rυ（An+）/r(Zr4+)<1.46时,A2Zr2O7为缺陷型萤石结构;当rυ（An+）/r(Zr4+)>1.46时,A2Zr2O7陶瓷为烧绿石结构。对于SmYb1-xMgxZr2O7-x/2,因为r(Yb3+)和r(Mg2+)都较小,使得SmYb1-xMgxZr2O7-x/2陶瓷为缺陷型萤石结构。对于SmYb1-xCaxZr2O7-x/2,虽然r(Ca2+)较大,但Ca2+离子未完全固溶,所以SmYb1-xCaxZr2O7-x/2为缺陷型萤石结构。而对于SmDy1-xMgxZr2O7-x/2,虽然r(Mg2+)较小,但r(Dy3+)较大,而且由于Dy3+离子固溶于Sm2Zr2O7,使得SmDy1-xMgxZr2O7-x/2阳离子半径比值较大,从而形成烧绿石结构。对于SmDy1-xCaxZr2O7-x/2,虽然Ca2+离子未完全固溶,但是因为r(Dy3+)较大,而且Dy3+离子固溶于Sm2Zr2O7,使得SmDy1-xCaxZr2O7-x/2为烧绿石结构。本文所制备的碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷块体在673–1173K温度范围内,电导率随温度升高均增大。在相同温度条件下,制备的SmYb1-xMgxZr2O7-x/2（x≤0.15）陶瓷的电导率随Mg2+掺杂量的增加而升高,而SmDy1-xMgxZr2O7-x/2（x≤0.20）陶瓷的电导率随Mg2+掺杂量的增加而降低;对于SmYb1-xCaxZr2O7-x/2和SmDy1-xCaxZr2O7-x/2（x≤0.20）陶瓷,当Ca2+掺杂量较低时（x≤0.10）,电导率变化不大,当Ca2+掺杂量较高时电导率下降;在673–1173K温度范围内,SmDy1-xMgxZr2O7-x/2（x≤0.20）陶瓷的总电导率随Ca2+掺杂量的增加而下降;SmDy1-xCaxZr2O7-x/2（x≤0.20）陶瓷在673–1123K温度范围内总电导率变化趋势同SmYb1-xCaxZr2O7-x/2陶瓷相同。随着温度升高,制备的碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm2Zr2O7陶瓷的电导率随成分变化而改变的趋势都下降。本文中电导率最高的材料是SmDyZr2O7,在1173K下测得的电导率为8?10–3S·cm–1。SmYb1-xMgxZr2O7-x/2与SmDy1-xCaxZr2O7-x/2陶瓷在本文测试条件下电导率不随氧分压而改变,可认为是纯离子导体。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 固体氧化物燃料电池电解质的研究现状
• 1.2.1 固体电解质材料的性能要求
• 1.2.2 固体电解质分类
• 1.2.3 常用的固体电解质材料
• 1.3 稀土锆酸盐的晶体结构
• 1.4 稀土锆酸盐材料的电学性能
• 2Zr₂O₇ 结构与电学性能'>1.4.1 A 位掺杂A₂Zr₂O₇结构与电学性能
• 2Zr₂O₇ 结构与电学性能'>1.4.2 B 位掺杂A₂Zr₂O₇结构与电学性能
• 2Zr₂O₇ 结构与电学性能'>1.4.3 A 位与B 位混合掺杂A₂Zr₂O₇结构与电学性能
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 试验材料与研究方法
• 2.1 试验用原材料
• 2Zr₂O₇₂Zr₂O₇ 陶瓷的制备'>2.2 碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm₂Zr₂O₇₂Zr₂O₇陶瓷的制备
• 2.2.1 材料体系设计
• 2Zr₂O₇ 陶瓷'>2.2.2 固相反应法制备碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm₂Zr₂O₇陶瓷
• 2Zr₂O₇ 陶瓷的组织结构分析'>2.3 碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm₂Zr₂O₇陶瓷的组织结构分析
• 2.3.1 物相分析
• 2.3.2 相对密度测量
• 2.3.3 微观形貌观察与成分分析
• 2Zr₂O₇ 陶瓷的电学性能'>2.4 碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm₂Zr₂O₇陶瓷的电学性能
• 2Zr₂O₇陶瓷的组织结构'>第3章 碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm₂Zr₂O₇陶瓷的组织结构
• 2Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的组织结构'>3.1 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的组织结构
• 2Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的物相分析'>3.1.1 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的物相分析
• 2Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的微观组织形貌'>3.1.2 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的微观组织形貌
• 2Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的组织结构'>3.2 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的组织结构
• 2Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的物相分析'>3.2.1 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的物相分析
• 2Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的微观组织形貌'>3.2.2 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的微观组织形貌
• 2Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的组织结构'>3.3 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的组织结构
• 2Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的物相分析'>3.3.1 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的物相分析
• 2Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的微观组织形貌'>3.3.2 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的微观组织形貌
• 2Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的组织结构'>3.4 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的组织结构
• 2Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的物相分析'>3.4.1 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的物相分析
• 2Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的微观组织形貌'>3.4.2 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的微观组织形貌
• 3.5 本章小结
• 2Zr₂O₇陶瓷的电学性能分析'>第4章 碱土金属与稀土阳离子共掺杂Sm₂Zr₂O₇陶瓷的电学性能分析
• 2Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的电学性能'>4.1 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的电学性能
• 2Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的交流阻抗谱分析'>4.1.1 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的交流阻抗谱分析
• 2Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的电导率'>4.1.2 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的电导率
• 2Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的电学性能'>4.2 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的电学性能
• 2Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的交流阻抗谱分析'>4.2.1 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的交流阻抗谱分析
• 2Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的电导率'>4.2.2 Sm₂Zr₂O₇Yb_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的电导率
• 2Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的电学性能'>4.3 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的电学性能
• 2Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的交流阻抗谱分析'>4.3.1 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的交流阻抗谱分析
• 2Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的电导率'>4.3.2 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xMg_xZr₂O_7-x/2陶瓷的电导率
• 2Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的电学性能'>4.4 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的电学性能
• 2Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的交流阻抗谱分析'>4.4.1 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的交流阻抗谱分析
• 2Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2 陶瓷的电导率'>4.4.2 Sm₂Zr₂O₇Dy_1-xCa_xZr₂O_7-x/2陶瓷的电导率
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢