t-ZrO2对YSZ电解质材料力学性能和电性能的影响

论文题目: t-ZrO2对YSZ电解质材料力学性能和电性能的影响

论文类型: 硕士论文

论文专业: 材料学

作者: 李海龙

导师: 郭瑞松

关键词: 力学性能,电导率

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 众多学者对ZrO2基固体电解质材料已进行了详尽的研究,虽然立方稳定氧化锆YSZ材料具有较高的电导率,但机械强度差、断裂韧性低。确保YSZ材料氧离子电导率的同时具有优良力学性能,以适应SOFC发展要求成为必然面临的课题。研制开发综合性能好,具有一定协同功能的电解质材料,必将受到越来越多材料工作者尤其是SOFC研究工作者的重视和开发。本论文针对8YSZ电解质材料强度差、断裂韧性值低的问题,利用3Y-TZP韧性好,高温氧离子电导率较低的特点,在8YSZ电解质中加入3Y-TZP,通过对致密度、力学性能、电性能和微观结构等的测试,探讨t-ZrO2的引入对力学性能的提高作用和对电性能的影响,找出最佳掺杂量和改性条件。本论文通过实验证实:复相电解质材料最佳烧结制度为1450°C,保温2h。在YSZ电解质中加入3Y-TZP,由于Y的低扩散率,材料中Y并无严重均化现象,并可能形成了Y分布不均匀的核壳结构。材料的强度大大提高,断裂韧性略有改善,电导率稍有下降,但影响不大。当掺杂30wt% 3Y-TZP时,复相电解质材料的强度接近300MPa,较纯8YSZ提高一倍左右;韧性达到3.7MPa·m1/2,提高80%以上;1000°C时的电导率为0.11S·cm-1,较文献值降低不足10%,使材料具有良好的综合性能。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 文献综述

1.1 前言

1.2 固体氧化物燃料电池（SOFC）的电解质

1.2.1 SOFC电解质的性能特点

1.2.2 稳定化ZrO_2电解质

1.2.3 稳定化ZrO_2应用中存在的问题

1.2.4 其他电解质材料

1.3 ZrO_2基固体电解质

1.3.1 简介

1.3.2 ZrO_2基固体电解质的导电机理

1.3.3 ZrO_2基固体电解质中稳定剂的选择

1.3.4 ZrO_2基固体电解质的增韧机理

1.3.4.1 ZrO_2的相变增韧

1.3.4.2 微裂纹增韧

1.3.5 ZrO_2-Y_2O_3二元系统

1.3.5.1 ZrO_2-Y_2O_3二元系统相平衡

1.3.5.2 ZrO_2-Y_2O_3二元系统离子电导率与掺杂离子浓度关系

1.3.6 YSZ固体电解质材料

1.4 多相ZrO_2基固体电解质材料及可能存在问题

1.4.1 氧离子及稳定剂中Y3+在ZrO_2中的扩散行为

第二章 实验过程与研究方案

2.1 实验目的

2.2 研究方案

2.2.1 配方的选择

2.2.2 实验流程

2.3 实验过程

2.3.1 原料的选择

2.3.2 原料的混合

2.3.3 成型

2.3.4 烧结制度的确定

2.4 研究方法及分析手段

2.4.1 体积密度的测定

2.4.2 X射线衍射分析（XRD）

2.4.3 强度测试

2.4.4 断裂韧性测试

2.4.5 电性能测试

2.4.6 扫描电子显微镜分析（SEM）

第三章 实验结果与讨论

3.1 3Y-TZP添加量对8YSZ陶瓷烧结特性影响

3.1.1 试样致密度

3.1.2 致密度的影响因素

3.2 3Y-TZP添加量对8YSZ陶瓷力学性能影响

3.2.1 强度

3.2.2 断裂韧性

3.2.3 复相材料中氧离子及Y~(3+)的扩散行为

3.3 3Y-TZP添加量对8YSZ陶瓷烧结体相成分影响

3.3.1 未添加3Y-TZP的陶瓷体相分析

3.3.2 3Y-TZP添加量量对可相变四方相量的影响

3.4 3Y-TZP添加量对8YSZ陶瓷烧结体电学性能影响

3.4.1 电导率

3.4.2 电导率的影响因素

3.4.2.1 电导活化能

3.4.2.2 σ_0值的影响

3.5 分析与讨论

3.6 掺3Y-TZP的8YSZ陶瓷体的显微结构

第四章 结论

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况说明

致谢

发布时间: 2007-04-17

参考文献

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