固体氧化物燃料电池电解质在力-电化学耦合场下断裂行为的研究

摘要

在当前能源短缺的形势下,固体氧化物燃料电池以其高能量转化率及低污染等独特优势成为科研人员关注和研究的热点,作为其核心组件的电解质更是研究的重点。氧空位的存在是电解质能够传导氧离子的原因,而对处于复杂耦合场中的电解质而言,大量氧空位的存在必然对力学性能造成影响。特别地,当电解质中存在裂纹时,氧空位的浓度分布将发生改变,进而影响到电解质的断裂韧度,进一步导致电解质构件中的裂纹开裂和失效。要在材料的制备和使用中防止此类现象的发生,必须深入了解电解质在耦合场中的断裂特性。因此,本文利用分子动力学和多尺度的模拟方法,系统地分析了力—电化学耦合场作用下电解质GDC(氧化钆掺杂的氧化铈)的性能表征。论文主要包含了以下几个部分:
　　首先,简要介绍了分子动力学的相关算法,提出了电解质GDC的新势函数及对应的势参数。利用分子动力学方法系统研究了温度、掺杂浓度、外部载荷及晶界等因素对GDC中氧离子扩散行为的影响,发现工作过程中这些因素对氧离子的扩散能力有较为明显的影响。同时,结合模拟结果从微观角度解释了这些影响出现的原因。
　　其次,利用分子动力学对电解质GDC的单轴拉伸进行了系统的模拟。通过研究拉伸过程中晶体构型的变化,发现在拉伸载荷下GDC出现了相变行为;在此基础上深入研究了温度和掺杂浓度对GDC的相变行为、杨氏模量及断裂强度的影响,得到的模拟结果与实验现象的变化趋势大体相似,并从微观尺度深入解释了相关现象。
　　利用分子动力学方法,研究了含裂纹GDC的裂纹扩展行为。对比模拟结果和宏观断裂现象,发现两者在GDC的断裂模式及裂纹尖端应力场的分布上有较大相似性;当裂纹模型取不同晶向时,拉伸初期裂尖出现了局部的塑性变形或位错发射,但最终的破坏模式仍为典型的脆性断裂。在此基础上,研究了室温范围内,掺杂浓度的增加对GDC开裂模式及临界开裂应力的影响。
　　最后,利用多尺度方法模拟了非化学计量GDC在力—电化学耦合场下的裂纹扩展行为并计算了对应的断裂韧度,建立了GDC在多场耦合下的断裂模型。通过系统的模拟研究了电解质膜体两侧氧分压及外电势对氧空位浓度分布的影响;同时探讨了裂纹尖端应力场和氧空位浓度分布的耦合作用对GDC断裂韧度的影响,发现耦合作用下,氧空位会随着外部载荷的增加在裂尖处发生聚集并明显降低材料的断裂韧度。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1课题来源及研究的目的和意义

1.2固体氧化物燃料电池简述

1.3 SOFC电解质简介

1.4氧化铈基电解质简介

1.5 GDC材料的研究现状

1.6分子动力学模拟简述

1.7 GDC势函数的发展过程

1.8本文的主要研究内容

第2章 GDC中氧离子扩散行为的分子动力学模拟

2.1分子动力学的主要算法

2.2 MD模拟中GDC的势函数

2.3电解质GDC的分子动力学模拟

2.4氧离子在GDC中扩散行为的分子动力学模拟

2.5本章小结

第3章 GDC力学行为的分子动力学模拟

3.1单轴拉伸下CeO 2的力学行为

3.2温度和掺杂浓度对GDC力学性能的影响

3.3单轴压缩下GDC的杨氏模量

3.4本章小结

第4章 含裂纹GDC断裂行为的分子动力学模拟

4.1不同晶向下CeO 2断裂韧度的计算

4.2不同晶向下GDC裂纹扩展行为的研究

4.3本章小结

第5章 力—电化学耦合作用对GDC断裂行为的影响

5.1力—电化学耦合场理论

5.2非化学计量效应对弹性常数的影响

5.3耦合场下GDC膜体中氧空位和应力的分布

5.4多尺度方法描述

5.5耦合场中含Ⅰ型裂纹GDC断裂韧度的计算

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

声明

致谢

个人简历