Bi2O3/YSZ固体电解质材料的制备与性能表征

摘要

氧化钇稳定氧化锆(YSZ)凭借着其优秀的耐氧化和耐腐蚀性能、较高的氧离子导电率以及不与电极材料发生反应等优点，成为目前用于氧传感器和固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，即SOFC，一种可以将化学能转化为电能的能量转换装置）最常见的电解质材料。但是，YSZ材料在实际运行的过程中，需要有专门的加热设备，工作温度较高（通常＞800℃），这严重阻碍了其在民用领域的发展进程。如果能将氧传感器和固体氧化物燃料电池的工作温度下降到500-800℃的中温区，那么不仅能够降低对材料的性能要求和成本，提高电极和电池的稳定性，延长电池的寿命，而且有利于SOFC的规模化和民用化发展。因此，通过对YSZ材料的掺杂改性、优化成型方式及烧结制度等方法来达到降低其工作温度的研究，已成为材料领域科研工作者关注的热点。
　　本文所做的工作是分别用化学沉淀法和湿法球磨法对YSZ材料进行不同含量Bi2O3的掺杂，对得到的烧成体的致密度、成分组成、微观结构形貌及抗热震性进行测试分析，研究Bi2O3-Y2O3-ZrO2三元体系材料的掺杂固溶原理，对一维棒状Bi2O3材料的生长机制、用于凝胶注模的YSZ料浆的成型性和氧化物固体燃料电池电解质材料的成分优化进行探讨，为研究YSZ材料的掺杂改性提供更加深入的理论分析与实验探索，促进固体电解质材料和气敏陶瓷的应用发展。
　　通过化学沉淀法可以在液相中一步制得Bi2O3/YSZ复合粉体，其中Bi2O3是通过水解反应与脱水缩聚而生成的;Bi2O3在液相中结晶时，在一维方向上有强烈的生长趋势从而形成棒状晶体，这与其晶体结构、表面能有关;温度、Bi2O3浓度对粉体形貌均有影响:高温、高浓度会增强Bi2O3在一维方向上的生长趋势，棒状Bi2O3的长度、直径都会增加，这将不利于Bi2O3/YSZ复合粉体的制备。在低温摩尔分数＜1％时制得的Bi2O3/YSZ复合粉体中，Bi2O3与YSZ均为粒径较小的颗粒，分散均匀;当原料配比、温度或者分散剂种类改变时，能够得到一维棒状Bi2O3。根据实验结果，推测定向附着与奥斯特瓦尔德熟化的共同作用为一维棒状Bi2O3的生长机制。
　　在凝胶注模实验中选用粒径大小为D50=2.5μm的3YSZ，分散剂体积含量为15vol.％，固相含量为50vol.％，此时料浆稳定性、流动性好，粘度为510 mpa·s。引发剂浓度设定为1.24vol.％、催化剂设定为1vol.％，凝胶时间控制在20min，约15h后脱模，高湿环境下干燥24h后，可得到变形较小、不易开裂的湿坯。
　　Bi2O3作为助烧剂能够有效降低YSZ材料的烧结温度;1000℃烧结时，Bi2O3的掺杂可将t-ZrO2诱导转变为m-ZrO2;随着Bi2O3含量的增加，体系的抗热震性下降，趋于某一数值不在变化，其中2-3mol％ Bi2O3-YSZ体系的抗热震性最好。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景

1．2 燃料电池的种类及特点

1．3 固体氧化物燃料电池的工作原理和基本组成

1．3．1 SOFC的工作原理

1．3．2 SOFC的基本组成

1．4 固体电解质概述

1．5 氧化锆基电解质概述

1．6 Bi2O3的晶体结构

1．7 Bi2O3基电解质概述

1．8 Bi2O3／YSZ固体电解质材料研究进展

1．9 主要研究内容

2．1 实验材料及仪器设备

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器设备

2．2 实验技术路线及过程

2．2．1 实验工艺流程图

2．2．2 实验过程

2．3 样品表征

2．3．1 致密度测试

2．3．2 物相分析

2．3．3 微观形貌分析

2．3．4 抗热震测试

2．3．5 稳定性测试

2．3．6 流动性测试

第三章 化学沉淀法制备Bi2O3／YSZ复合粉体

3．1 粉体的物相分析

3．2 粉体微观形貌分析

3．3 Bi2O3晶体的生成原理

3．4 温度对粉体形貌的影响

3．5 Bi2O3浓度对粉体形貌的影响

3．6 本章小结

第四章 一维棒状Bi2O3材料的生长机制

4．1 复合粉体晶体结构分析

4．2 复合粉体微观形貌与组成

4．3 分散剂对粉体微观形貌的影响

4．4 一维棒状Bi2O3的生长机制

4．5 本章小结

第五章 Bi2O3含量对YSZ陶瓷性能的影响

5．1．1 粉体粒径对料浆性能的影响

5．1．2 分散剂量对料浆性能的影响

5．1．3 陈放时间对料浆性能的影响

5．1．4 固相含量对料浆流动性的影响

5．1．5 引发剂对凝胶时间的影响

5．1．6 催化剂对凝胶时间的影响

5．2 Bi2O3掺杂量、烧结温度与致密度之间的关系

5．3 Bi2O3含量对物相的影响

5．4 Bi2O3含量对微观形貌的影响

5．5 Bi2O3含量对抗热震性的影响

5．6 本章小结

6．1 结论

6．2 本文创新点

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表论文

发明专利