轧膜成形法制备燃料电池NiO/YSZ多孔阳极和WC-8Co硬质合金材料的研究

摘要

轧膜成形作为一种可塑成形方法，在制备大面积陶瓷厚膜及薄膜方面具有突出的技术和经济优势，如制备工艺简单、生产效率高、组织结构均匀等优点，并越来越受到人们的重视。迄今为止，轧膜成形已成功的应用于制备燃料电池及其他功能陶瓷元器件，但仍很少有采用此种工艺制备WC-Co硬质合金的报道。本论文尝试采用此工艺来制备WC-8Co硬质合金板材和中温固体氧化物燃料电池NiO/氧化钇稳定氧化锆(YSZ)多孔阳极板，从而探索轧膜成形制备WC-Co硬质合金可行性及进一步优化轧膜成形制备NiO/YSZ 复合材料的工艺参数。
　　 WC-Co硬质合金是一种性能优越的工具材料。随着科学技术的发展，对硬质合金制品的形状和性能等提出越来越高的要求，如要求制备大尺寸的板材、异形件等，而由于压机和模具等限制，难以采用常规的压制烧结工艺来制备上述产品。本文尝试以水基轧膜工艺来制备WC-8Co带坯，随后烧结获得了WC-8Co硬质合金板材。实验中考察了轧膜坯料中粘结剂含量和制备工艺条件等对WC-8Co硬质合金组织性能的影响。实验结果表明：粘结剂含量对硬质合金的生坯密度、显微组织、硬度和强度都有明显影响。当粘结剂含量低于4.5wt％时，随粘结剂加入，使得粉末松装密度提高，易于成形，所得硬质合金生坯的密度提高、硬度与强度也增高。而当粘结剂含量超过4.5wt％时，所得烧结体孔隙率增加，硬质合金的硬度和强度都下降。在烧结温度为1400℃氢气气氛下，当粘结剂含量为4.5wt％时，硬质合金烧结体性能最好，密度为12.03 g·cm-3，抗弯强度为829MPa，硬度为18.26GPa。此外烧结工艺同样对硬质合金性能产生影响，烧结温度的升高，可提高合金的硬度与强度。但烧结温度过高，合金晶粒过度长大，强度与硬度反而降低。当烧结温度为1450℃时，4.5wt％粘结剂含量的合金力学性能最好，其密度为12.42 g·cm-3，抗弯强度为1091MPa，硬度为18.94GPa。
　　 固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFC）是一种通过电化学反应将燃料的化学能直接转化为电能的发电装置，其主要是由电解质、阳极和阴极组成的一种多层陶瓷膜结构。为了促进SOFC商业化进程，需要将其运行温度降低至中低温范围（500-800℃），主要途径就是开发新型的电池材料或采用薄膜化的电解质以增大电池的输出功率，当采用薄膜电解质时，阳极支撑的平板状电池结构具有明显的优势，目前制备平板状的阳极板主要方法有流延法、轧膜法等。本文尝试以水基轧膜工艺来制备NiO/YSZ固体氧化物燃料电池多孔阳极材料。实验中考察了粘结剂含量和制备工艺条件等对多孔阳极微结构和性能的影响。实验结果表明：随着粘结剂含量的增加，生坯易于成形，坯体表面平整光洁，当粘结剂含量超过8wt％时，阳极坯体烧结后孔隙率和孔径范围明显增大，经1450℃烧结4h后孔隙率为16％，孔径分布在0.506-5.392μm，平均孔径为0.83μm，高的平均孔径降低了阳极支撑体的强度，而低粘结剂含量烧结体孔隙率低，无法满足阳极对孔隙率的要求，所以8wt％粘结剂含量的阳极烧结体性能最好。轧膜坯体的烧结温度对NiO/YSZ阳极烧结体的孔隙率有着决定性的影响，随烧结温度的升高，材料的相对密度升高，开孔率降低，且孔径分布变窄。为获得较高孔隙率和一定孔径分布的阳极烧结体，轧膜生坯的烧结温度应不超过1450℃。粘结剂含量为8wt％的NiO/YSZ生坯经1450℃烧结4h后得到的NiO/YSZ阳极材料具有较好的综合性能，其孔隙率为18％，孔径分布在0.467-4.667μm，平均孔径为0.57μm，还原后所得Ni/YSZ金属陶瓷多孔阳极的电导率随试样烧结温度的升高而升高，随测试温度升高而降低，800℃下的电导率可达150S/cm，能满足SOFC对阳极材料电导率的要求。

目录

第一章 绪论

第二章 轧膜成形过程的研究

第三章 轧膜成形法制备WC-8Co硬质合金

第四章 轧膜成形制备燃料电池NiO/YSZ多孔阳极

第五章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间论文发表情况

论文说明：插图清单、表格清单

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