添加Li_2O对YSZ电解质性能影响

8%（摩尔分数,下同）Y2O3稳定的ZrO2（8YSZ）是固体氧化物燃料电池（SOFC）中最常用的电解质材料,本文研究了在8YSZ基体中加入n%Li2O（n=0,0.25,0.50,1.00,1.50,1.70,2.00,2.50,3.00）后（记为n%Li2OYSZ）对其晶相结构、晶格常数、烧结性能、微观形貌、电导率及其作为SOFC电解质性能的影响。结果表明,Li2O中的Li＋可以固溶到YSZ的晶格内使其晶格常数减小;Li2O的加入量n〈1.70时,瓷体在烧结过程中不会发生相变。加入少量的Li2O（n=0.25,0.50）可以提高YSZ的致密度和电导率,0.25%Li2OYSZ和0.50%Li2OYSZ样品800℃的电导率分别高达0.030 2 S/cm和0.027 6 S/cm,分别是纯YSZ的1.35和1.24倍;当Li2O含量n≥1.00时,相同条件下烧结体致密度随Li2O加入量的增大而逐渐减小;当n≥1.70时,样品在烧结过程中虽然出现相变,但在高于1400℃可以烧结致密,并得到纯立方相YSZ。将1250℃烧结制得的0.25%Li2OYSZ和0.50%Li2OYSZ作为SOFC电解质的单电池,800℃时的开路电压高于1.0V,说明YSZ中没有出现电子电导,具有比纯YSZ为电解质的单电池更高的性能输出,表现出了良好的应用前景。     

添加3Y-TZP对8YSZ电解质材料的力学和电学性能的影响

采用机械混合方法,在8YSZ电解质材料中添加3Y-TZP,目的是在满足YSZ电解质电学性能要求的前提下,提高材料的力学性能.试样在常压下烧结,通过弯曲强度﹑断裂韧性﹑电导率测定和相组成分析,讨论了3Y-TZP添加量的影响.实验结果表明:加入3Y-TZP能显著提高陶瓷体的力学性能,弯曲强度和断裂韧性随着添加量的增多而提高;电学性能在0～30%(质量百分比,下同)的添加量时下降很小.添加30% 3Y-TZP的电解质材料在1000 ℃电导率为0.11 S/cm,强度接近300 MPa,综合效果最好.     

NiO掺杂对4YSZ导电性能的影响

以氧氯化锆、硝酸钇和氯化镍为原料,柠檬酸为络合剂,制备了掺NiO的4YSZ凝胶,将凝胶在500℃煅烧后,压制成圆片状,在1300℃烧结2h得到所需试样;研究NiO的不同掺量对试样的烧结性能、电导率的影响。结果表明掺NiO可提高试样的烧结性能和电导率;当Ni元素为4mol%时,试样相对密度达95.20%,其在700℃的电导率达2.40×10-3S.cm-1。     

一种新型的水系流延工艺制备中温SOFC电解质YSZ薄膜

采用-种新型的水系流延工艺制备中温SOFC电解质YSZ薄膜浆料.研究了同时添加粘结剂和分散剂的浆料的流变性,不同含量粘结剂对这种浆料粘度的影响,该工艺对流延片的干燥特性、生坯密度和坯片烧结性能的影响.实验结果表明:该浆料的假塑性程度和浆料的粘度随着B-1070的含量增加而减小;发现采用该工艺的干燥时间明显缩短;YSZ坯片的生坯密度大大提高,相对密度达到55.3%.所得流延素坯在1450℃保温2小时烧结能获得相对密度达98.5%的YSZ电解质薄膜.     

氧化锌掺杂对氧化锆电解质导电性能影响

用柠檬酸溶胶-凝胶法制备了8YSZ(Y2O3物质的量分数为8%的ZrO2)纳米粉体,研究预烧温度对粉体粒径的影响,煅烧温度对试样的致密度、电导率的影响。研究表明预烧温度增加,粉体的粒径增加,500℃预烧粉体的粒径为5nm。烧结温度提高,试样致密度增加,试样的电导率也增加;但烧结温度从1300℃提高到1400℃,试样致密度继续增加,而试样的电导率不变。在试样中掺杂氧化锌可以促进烧结,当氧化锌掺量大于2%(物质的量分数)后,试样的电导率下降。     

烧结助剂对硼硅钙微晶玻璃结构和介电性能的影响

研究了烧结助剂P2O5和ZnO对CaO-B2O3-SiO2(CBS)玻璃粉末的助烧作用及其对材料的相组成、显微结构和介电性能的影响.结果表明:未添加烧结助剂在1000 ℃烧成的样品晶粒粗大(1～3 μm),且结构疏松.复合添加2%(质量分数,下同)P2O5和0.5%ZnO后,850℃烧成的CBS微晶玻璃中,包含有β-CaSiO3,α-SiO2和CaB2O4 3种晶相,晶粒发育细小均匀,粒径为0.5 μm左右,具有一定量的玻璃相,且结构致密.加烧结助剂制得的样品在10 MHz下,相对介电常数εr为6.38,介电损耗tanδ为0.001 8.加复合烧结助剂P2O5和ZnO有效地降低了CBS玻璃粉末的烧结温度(低于900 ℃),可实现银、铜电极共烧.烧结助剂的作用机理是P2O5促进了液相的生成,ZnO则具有提高液相的粘度,增大烧结温度范围,细化晶粒和防止样品变形的作用.     

Cr缺位对Pr0.7Ca0.3CrO3-δ 基连接材料性能的影响

采用柠檬酸燃烧法合成一系列Pr_(0.7)Ca_(0.3)Cr_(1-x)O_(3-δ)连接材料,利用X射线衍射和扫描电子显微镜对材料的物相和微观形貌进行表征,四端子探针法测量样品的电导率,热膨胀仪测定热膨胀系数。结果表明:Cr缺位对材料Pr_(0.7)Ca_(0.3)CrO_(3-δ)物相结构没有影响;Cr缺位提高材料的烧结性能。x=0.07的样品,1400℃烧结5h,相对密度达98%;700℃时,样品在空气和氢气气氛的电导率分别为34和17S/cm;样品的热膨胀系数为9.6×10~(–6)/K,与YSZ(8mol%Y_2O_3-ZrO_2)电解质的热膨胀系数接近。意味着Cr缺位Pr_(0.7)Ca_(0.3)Cr_(1-x)O_(3-δ)材料体系是固体氧化物燃料电池有潜力的陶瓷连接材料。     

NaCl对BaZr0.63Ce0.27Y0.10O2.95/ZnO质子导体的烧结性与电化学性能的影响

采用机械混合和高温固相反应法,在2%(摩尔分数)ZnO掺杂BaZr0.63Ce0.27Y0.10O2.95的质子导体(BZCY-Z2)中添加0~15%(摩尔分数)NaCl,在1400℃保温4h,制备BaZr0.63Ce0.27Y0.10O2.95/ZnO/NaCl(BZCY-Z2-Cl)复相质子导体。结果显示,加入NaCl作为复相烧结助剂后,由于出现液相,降低了试样的烧结温度与保温时间,从而改善了试样的烧结性能;NaCl均匀分布于晶界,改善了晶界特性,提高了晶界质子导电性,质子导体于700℃时在湿氢气氛中总电导率达7.48×10–3S/cm;电解质支撑型单元电池测试结果表明,单电池在550、600、650和700℃下离子传导系数分别达到0.97、0.97、0.95和0.93,表明该电解层材料为良好的质子导体;700℃时功率密度为17 mW/cm2,由于电解层厚度较厚(0.9nm),导致输出功率相对较低。上述结果表明所制备的质子导体材料具有良好的电化学性能。     

CaO-SiO2-B2O3系陶瓷的低温快烧制备与性能

以CaCO3,SiO2,H3BO3为原料,采用无压烧结法,分别在3个不同的烧成条件下,低温快速烧成制备了CaO-SiO2-B2O3系陶瓷样品,所得样品在室温下快速冷却.测定了该体系的烧结性能和样品的体积电阻率,并探讨了其变化规律.结果表明:按照一定比例复合添加ZnO和MgO,对CaO-SiO2-B2O3系陶瓷具有明显的助烧作用;在添加量少于6.0%(质量分数,下同),同比例复合添加ZnO,MgO时较相应单一添加ZnO(为同比例复合添加ZnO,MgO时质量的1/2)所得样品的体积电阻率大.当添加6.0%ZnO,6.0%MgO时,在3种烧成条件下,均可制得体积密度较大、吸水率较小、体积电阻率较大(>1011 Ω·cm)的致密烧结体.     

溶胶-凝胶法制备NASICON型Li_(1.15)Y_(0.15)Zr_(1.85)(PO_4)_3固态电解质

以碳酸锂、硝酸锆、磷酸氢二铵和硝酸钇为原料,柠檬酸为络合剂,采用溶胶–凝胶法制备了NASICON型Li1.15Y0.15Zr1.85(PO4)3固态电解质材料,通过无压烧结和放电等离子烧结(SPS)得到固态电解质片。结果表明:采用无压烧结在1 150℃制备的电解质密度可以达到理论密度的95.2%,在室温下晶粒电导率和总电导率分别为2.19×10–4 S/cm和0.86×10–4 S/cm;采用SPS在1 150℃烧结得到的电解质片密度可达到理论密度的96.8%,在室温下样品总电导为0.97×10–4S/cm,激活能为0.44 e V。四方相Zr O2的存在是样品激活能升高的主要原因。     

燃烧合成AlN粉体的放电等离子烧结及其导热性能

利用放电等离子烧结(spark plasma sintering,SPS)工艺研究了燃烧合成法制备的2种具有不同形貌的AlN粉以及1种碳热还原氮化法制备的市售亚微米级AlN粉的烧结性能、致密化机理以及导热性能。结果表明:燃烧合成法制备的AlN纳米晶须状粉末具有与亚微米级标准市售AlN粉末同样优异的烧结性能,都能够在无烧结助剂情况下在1600℃的较低温度下烧结致密。在烧结过程中,由于燃烧合成AlN粉自身的高化学活性和SPS产生的等离子体活化作用,使得AlN粉以自身的分解-再结晶-凝聚机制进行致密化,导致晶界强度很高,断裂时以穿晶断裂为主;而在市售AlN粉末烧结过程中以表面扩散机制致密化,在晶界处形成了AlON相,降低了晶界强度,因此以沿晶断裂为主。AlN原料的氧含量对热导率的影响很大。由于燃烧合成AlN粉体的氧含量较碳热还原法制备的市售AlN粉体略高,导致其烧结试样热导率略低。     

YSZ/MgAl_2O_4复合粉末的合成及其材料的烧成活化能

采用共沉淀法在1100℃制备了70%(体积分数,下同)氧化钇稳定氧化锆[xY2O3+(1-x)ZrO2,x=0.02,0.03,0.04,in mole,yttria stabilized zirconia,YSZ]-30%镁铝尖晶石(MgAl2O4)复合粉体,2种原始粉料的配料各为70%和30%,并在1200～1500℃常压烧成制备了陶瓷材料。结果表明:在制得的所有粉末中,未发现单斜相ZrO2;2YSZ(0.02Y2O3+0.98ZrO2,摩尔分数,下同)/MgAl2O4和3YSZ/MgAl2O4这2种粉体中的ZrO2为四方相多晶氧化锆;而4YSZ/MgAl2O4粉末中的ZrO2相为全稳定立方氧化锆。对于1500℃烧结制备的陶瓷材料,2YSZ/MgAl2O4块体中的ZrO2相为部分稳定氧化锆;而3YSZ/MgAl2O4和4YSZ/MgAl2O4块体中的ZrO2相为全稳定氧化锆。(2～4)YSZ/MgAl2O4复相陶瓷的活化能为(623±80)kJ/mol。     

Fabrication of electrolyte materials for solid oxide fuel cells by tape-casting

In this research, solid oxide fuel cell electrolytes were fabricated by aqueous tape-casting technique. The basic compositions for SOFC electrolyte systems were focused on yttria-stabilized zirconia (YSZ) system. The powders used in this study were from different sources. ZrO₂-based system doped with 3, 8, and 10 mol% of Y₂O₃, and 8YSZ electrolyte tape illustrated the desirable properties. The grain size of the sintered electrolyte tapes was in the range of 0.5–1 μm with 98–99% of theoretical density. Phase and crystal structure showed the pure cubic fluorite structure for 8–10 mol% YSZ and tetragonal phase for 3 mol% doped. The electrolyte tapes sintered at 1450 °C for 4 h had the highest ionic conductivity of 30.11 × 10⁻³ S/cm which was measured at 600 °C. The flexural strengths were in the range of 100–180 MPa for 8–10 mol% YSZ, and 400–680 MPa for 3 mol% YSZ.     

亚微米晶粒氧化钇稳定氧化锆电解质的稳定性

氧化钇稳定氧化锆(yttria-stabilized zirconia,YSZ)是目前使用最多的电解质材料,YSZ结构和性能的长期稳定对固体氧化物燃料电池(solid oxide full cell,SOFC)系统的可靠性至关重要。重点研究了具有亚微米结构的YSZ在850℃环境中的长期老化性能,结果发现:在850℃空气气氛中老化处理300h后,YSZ中小于1μm的部分晶粒出现了继续生长的现象,使得小于1μm晶粒比例下降10%～20%;当这部分晶粒长大到1～2μm,呈现稳定状态,即没有出现晶粒的过分长大;老化600h和1000h后,小晶粒(小于1μm)所占比例几乎不变。伴随着晶粒尺寸分布变化,YSZ电解质的电导率也比老化处理初期(300h)有所降低;当老化处理600h后,电导率下降趋势变缓;老化处理1000h后,电导率基本稳定,且1000℃电导率仍然保持在0.15S/cm以上。电导率下降主要是由YSZ晶粒部分长大引起的。具有上述性能的YSZ用作SOFC电解质可以满足长期使用的要求。     

Effect of Alumina on Sintering Behavior and Electrical Conductivity of High-Purity Yttria-Stabilized Zirconia

The sintering behavior and electrical conductivity of high-purity 8-mol% Y₂O₃-stabilized ZrO₂ (8YSZ) with Al₂O₃ additions were investigated. The addition of 1 wt% AI₂O₃ to 8YSZ provided dense, sintered samples with 9.1% relative density at 1400°C without a holding time. Addition of 1 wt% SiO₂ enhanced the sinterability of 8YSZ. Na₂O addition of 0.1 wt% remarkably lowered it. Electrical conductivity at 1000°C in air increased slightly with increased Ai₂O₃ content up to 1 wt% and then monotonously decreased. 8YSZ with 1 wt% AI₂O₃ showed the maximum conductivity of 0.16 S/cm at 1000°C.     

反应烧结制备多孔β-sialon/Si_3N_4陶瓷

以Si粉和Al2O3空心球为原料,采用反应烧结后高温烧结法制备了多孔β-sialon/Si3N4陶瓷。X射线衍射结果表明:在0.25MPa的氮气压力下于1300℃反应烧结2h后在0.25MPa的氮气压力下1700℃及1750℃高温烧结2h,制备的样品的组成为β-sialon(Si6-zAlzOzN8-z,z=3)及β-Si3N4,随着烧结温度由1700℃升高至1750℃,β-sialon的相对质量分数由29.9%增加至56.8%。场发射扫描电镜观察结果表明:1750℃高温烧结样品的显微结构由大孔β-sialon及疏松的β-Si3N4基体组成。1750℃高温烧结后,样品的气孔率为28%,抗弯强度为92.5MPa。     

Influence of electric field strength on structure,microstructure, and electrical properties of flash sintered 8% mol Yttria-stabilized zirconia as a solid oxide fuel cell electrolyte

To study the effect of electric field on the characteristics of flash sintered materials, 8% mol. Yttria-stabilized zirconia (8YSZ) was isothermally flash sintered under various electric field strengths as a solid oxide fuel cell (SOFC) electrolyte. Structural, microstructural, and electrical characteristics were investigated by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and Electrochemical impedance spectroscopy (EIS), respectively. Results show that the electric field did not affect the relative density of flash sintered 8YSZ. Electric fields stronger than 300 V cm^?1, however, transformed the cubic structure to tetragonal. Microstructural studies show that the average grain size of samples is independent of the applied electric field strength. Electrochemical impedance spectroscopy showed changes in the grain boundary characteristics upon using the electric field for flash sintering. Oxygen vacancy concentration in the grain boundary of flash sintered samples was more than ten times higher than conventionally sintered ones, which improved the conductivity in flash sintered samples.     

Intermediate temperature electrical properties in 4 mol% ZnO-doped Zr0.92Y0.08O2-α/NaCl-KCl composite electrolyte

In this paper, 4?mol% ZnO-doped Zr_0.92Y_0.08O_2-α (8YSZ) and its 8YSZ+4ZnO/NaCl-KCl composite electrolyte were synthesized by a solid-state reaction. The X–ray diffraction (XRD) analysis indicates that 8YSZ+4ZnO and inorganic chlorides phases can coexist. The inorganic chlorides decrease the synthesis temperature of 8YSZ+4ZnO. The highest conductivities of 8YSZ+4ZnO and 8YSZ+4ZnO-NK are 7.0?×?10^?3 S?cm^?1 and 7.7?×?10^?2 S?cm^?1 at 700?°C, respectively. The oxygen concentration discharge cell shows that 8YSZ+4ZnO and 8YSZ+4ZnO-NK are good oxide ionic conductors under an oxygen-containing atmosphere. Finally, an H₂/O₂ fuel cell based on the 8YSZ+4ZnO-NK electrolyte reached the maximum power density (P_max) of 315.5?mW?cm^?2 at 700?°C.