一种LaGaO3基固体电解质靶材的制备方法

摘要

一种制备LaGaO3基固体电解质靶材的制备方法，属于固体氧化物燃料电池技术领域。工艺为：硝酸镓和硝酸镧溶液的制备；甘氨酸－硝酸盐燃烧合成法制备LSGM粉末；LSGM粉末的煅烧；放电等离子烧结；靶材的脱模；.靶材的磨平、获得成品。该方法工艺简单，降低了靶材的制备温度，属于固体氧化物燃料电池技术领域。本发明的优点在于：采用甘氨酸－硝酸盐燃烧合成法，制得的粉末成分均匀，颗粒细小，比表面积大，烧结活性高；采用放电等离子烧结工艺，烧结温度降低，烧结时间缩短，可以制备出相对密度高达96％的高质量靶材。

说明书

技术领域

本发明属于固体氧化物燃料电池技术领域，特别是提供了一种制备LaGaO₃基固体电解质靶材的制备方法，该方法工艺简单，降低了靶材的制备温度。

背景技术

随着世界经济的加快发展，对能源的需求在日益加大，同时也加剧了“能源短缺”和“环境污染”这两大世界难题，因此，提高能源利用率和开发可持续发展的能源、实现能源多样化已经成为21世纪的主要课题。燃料电池技术，特别是固体氧化物燃料电池，具有转化效率高，对环境污染小，燃料来源丰富等特点，被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术，因此燃料电池技术的研究和开发倍受各国政府和大公司的重视。

就目前的状况而言，固体氧化物燃料电池技术在性能、寿命和成本上还没有达到商业化应用的要求，存在着一些亟待解决的问题，如材料的选择困难，制备工艺复杂，成本过高等。以La_1-xSr_xMnO₃(LSM)为阴极、以Y₂O₃稳定ZrO₂(YSZ)为电解质的固体氧化物燃料电池是一种被普遍采用的高温型固体氧化物燃料电池系统。该高温型固体氧化物燃料电池受YSZ离子电导率较低的限制，需要在800～1000℃左右的高温下运行，这增加了在电池和系统配套材料的选择及制备上的困难，增大了系统的运行成本，并带来了长期运行稳定性等工程问题，限制了高温固体氧化物燃料电池的进一步发展和应用。若能使固体氧化物燃料电池的运行温度降低到600~800℃，不仅可以选用廉价的材料，提高电池稳定性，延长电池寿命，更重要的是有利于固体氧化物燃料电池的规模化和民用化。但降低工作温度将带来由于电解质内阻和电极极化过电位急剧上升，从而造成的电池输出电流和输出功率显著下降的问题。解决这些问题可采取以下技术路线：一是探索具有高离子导电性的新型电解质材料，以便将工作温度降低到600～800℃，锶和镁掺杂的镓酸镧(La_1-xSr_xGa_1-yMg_yO₃，x＝0.1或0.2，y＝0.1或0.2，缩写为LSGM)因在较低温度下具有较高的离子电导率而引人瞩目；二是新型电极材料的开发，开发中低温条件下有较高活性且与电解质相匹配的电极材料，改善电极的微结构，使系统结构达到最佳化，通过降低电极的极化过电位，从而适合燃料电池的中低温工作；三是电解质薄膜化，为降低电解质的高电阻带来的功率损失，目前十分活跃的研究趋势是降低电解质层的厚度，发展薄膜型电解质材料，进而降低电池工作温度。磁控溅射法是一种常用的薄膜制备方法，其基本原理是在高真空充入适量的氩气，在阴极(柱状靶或平面靶)和阳极(镀膜室壁)之间施加几百K直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离，氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜，通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜，磁控溅射法具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法制备LSGM电解质粉末，采用放电等离子烧结工艺(SPS)，制备相对密度高达96％的高质量磁控溅射靶材产品。

本发明采用的技术方案是利用甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法制备LSGM粉末，将制备的LSGM粉末在水平管式炉中煅烧，然后将煅烧后的粉末在放电等离子烧结炉中烧结，制得相对密度较高的LSGM靶材。工艺步骤为：

a.硝酸镓和硝酸镧溶液的制备；所用原料为三氧化二镓粉末、三氧化二镧粉末和浓硝酸；按照化学计量比，称取的三氧化二镓粉末，放入浓硝酸溶液中，加热200～300℃，加水，直至获得无色的硝酸镓溶液；按照化学计量比，称取的三氧化二镓粉末，放入浓硝酸溶液中，搅拌，直至获得无色的硝酸镧溶液；

b.甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法制备LSGM粉末；所述的甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法就是将甘氨酸和金属硝酸盐溶解于去离子水，混合均匀，加热至200～300℃，自燃，研磨，获得粉末，制备过程见图1；

c.LSGM粉末的煅烧；中所述的煅烧是将b中获得的产物在温度900～1200℃，空气气氛条件下，于水平管式炉中进行的煅烧；

d.放电等离子烧结；中所述的放电等离子烧结就是将煅烧后的粉末，放入石墨模具中，在真空气氛下，加热至1000～1300℃，压力为30~50MPa，保温时间为3～7min，于放电等离子烧结炉中进行的烧结。

e.靶材的脱模；

f.靶材在YM-2A金相试样预磨机上进行磨平，砂纸为240#SiC砂纸，转速为400转/分钟，磨掉靶材上的炭纸，使两面比较平整，获得成品。

本发明与已有技术相比的有益效果是：

1、采用甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法，制得的LSGM粉末成分均匀，颗粒细小，比表面积大，烧结活性高。

2、采用放电等离子烧结工艺，烧结温度降低，烧结时间缩短，可以制备出相对密度高达96％的高质量靶材。

附图说明

图1为本发明的甘氨酸-硝酸盐燃烧合成法制备LSGM粉末的工艺流程图。

具体实施方式

称取18.744克三氧化二镓粉末，溶入浓硝酸中，在230℃下反复加热、加水，直至氧化镓完全溶解，获得无色的硝酸镓溶液。称取36.653625克三氧化二镧粉末，溶入浓硝酸中，获得无色的硝酸镧溶液。称取12.8205克的六水合硝酸镁、5.29075克的硝酸锶和50克的甘氨酸，然后和获得硝酸镓溶液、硝酸镧溶液在去离子水中混合均匀，加热至200℃，溶液蒸干、自燃，获得泡沫状产物，研磨，然后在水平管式炉中进行煅烧，温度为1000℃，空气气氛，保温时间为2个小时。煅烧后的粉末放入Φ50mm的石墨模具中，将石墨模具放入等离子烧结炉中，抽真空，加热至1000℃，加40MPa的压力，保温5分钟，冷却至室温，脱模，在砂纸上磨平，得到Φ50mm×5mm，相对密度为96％的La_0.9Sr_0.1Ga_0.8Mg_0.2O₃靶材。