軋膜成形法制備燃料電池NiO-YSZ多孔陽(yáng)極和WC-8Co硬質(zhì)合金材料的研究.pdf

1、軋膜成形作為一種可塑成形方法，在制備大面積陶瓷厚膜及薄膜方面具有突出的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，如制備工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、組織結(jié)構(gòu)均勻等優(yōu)點(diǎn)，并越來越受到人們的重視。迄今為止，軋膜成形已成功的應(yīng)用于制備燃料電池及其他功能陶瓷元器件，但仍很少有采用此種工藝制備WC-Co硬質(zhì)合金的報(bào)道。本論文嘗試采用此工藝來制備WC-8Co硬質(zhì)合金板材和中溫固體氧化物燃料電池NiO/氧化釔穩(wěn)定氧化鋯(YSZ)多孔陽(yáng)極板，從而探索軋膜成形制備WC-Co硬質(zhì)合金可行性

2、及進(jìn)一步優(yōu)化軋膜成形制備NiO/YSZ 復(fù)合材料的工藝參數(shù)。
　　 WC-Co硬質(zhì)合金是一種性能優(yōu)越的工具材料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)硬質(zhì)合金制品的形狀和性能等提出越來越高的要求，如要求制備大尺寸的板材、異形件等，而由于壓機(jī)和模具等限制，難以采用常規(guī)的壓制燒結(jié)工藝來制備上述產(chǎn)品。本文嘗試以水基軋膜工藝來制備WC-8Co帶坯，隨后燒結(jié)獲得了WC-8Co硬質(zhì)合金板材。實(shí)驗(yàn)中考察了軋膜坯料中粘結(jié)劑含量和制備工藝條件等對(duì)WC-8Co硬質(zhì)

3、合金組織性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：粘結(jié)劑含量對(duì)硬質(zhì)合金的生坯密度、顯微組織、硬度和強(qiáng)度都有明顯影響。當(dāng)粘結(jié)劑含量低于4.5wt％時(shí)，隨粘結(jié)劑加入，使得粉末松裝密度提高，易于成形，所得硬質(zhì)合金生坯的密度提高、硬度與強(qiáng)度也增高。而當(dāng)粘結(jié)劑含量超過4.5wt％時(shí)，所得燒結(jié)體孔隙率增加，硬質(zhì)合金的硬度和強(qiáng)度都下降。在燒結(jié)溫度為1400℃氫氣氣氛下，當(dāng)粘結(jié)劑含量為4.5wt％時(shí)，硬質(zhì)合金燒結(jié)體性能最好，密度為12.03 g·cm-3，抗彎強(qiáng)度為8

4、29MPa，硬度為18.26GPa。此外燒結(jié)工藝同樣對(duì)硬質(zhì)合金性能產(chǎn)生影響，燒結(jié)溫度的升高，可提高合金的硬度與強(qiáng)度。但燒結(jié)溫度過高，合金晶粒過度長(zhǎng)大，強(qiáng)度與硬度反而降低。當(dāng)燒結(jié)溫度為1450℃時(shí)，4.5wt％粘結(jié)劑含量的合金力學(xué)性能最好，其密度為12.42 g·cm-3，抗彎強(qiáng)度為1091MPa，硬度為18.94GPa。
　　 固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells, SOFC）是一種通過電化學(xué)反應(yīng)將燃

5、料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，其主要是由電解質(zhì)、陽(yáng)極和陰極組成的一種多層陶瓷膜結(jié)構(gòu)。為了促進(jìn)SOFC商業(yè)化進(jìn)程，需要將其運(yùn)行溫度降低至中低溫范圍（500-800℃），主要途徑就是開發(fā)新型的電池材料或采用薄膜化的電解質(zhì)以增大電池的輸出功率，當(dāng)采用薄膜電解質(zhì)時(shí)，陽(yáng)極支撐的平板狀電池結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，目前制備平板狀的陽(yáng)極板主要方法有流延法、軋膜法等。本文嘗試以水基軋膜工藝來制備NiO/YSZ固體氧化物燃料電池多孔陽(yáng)極材料。實(shí)驗(yàn)中考察了

6、粘結(jié)劑含量和制備工藝條件等對(duì)多孔陽(yáng)極微結(jié)構(gòu)和性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著粘結(jié)劑含量的增加，生坯易于成形，坯體表面平整光潔，當(dāng)粘結(jié)劑含量超過8wt％時(shí)，陽(yáng)極坯體燒結(jié)后孔隙率和孔徑范圍明顯增大，經(jīng)1450℃燒結(jié)4h后孔隙率為16％，孔徑分布在0.506-5.392μm，平均孔徑為0.83μm，高的平均孔徑降低了陽(yáng)極支撐體的強(qiáng)度，而低粘結(jié)劑含量燒結(jié)體孔隙率低，無法滿足陽(yáng)極對(duì)孔隙率的要求，所以8wt％粘結(jié)劑含量的陽(yáng)極燒結(jié)體性能最好。軋膜坯體的

7、燒結(jié)溫度對(duì)NiO/YSZ陽(yáng)極燒結(jié)體的孔隙率有著決定性的影響，隨燒結(jié)溫度的升高，材料的相對(duì)密度升高，開孔率降低，且孔徑分布變窄。為獲得較高孔隙率和一定孔徑分布的陽(yáng)極燒結(jié)體，軋膜生坯的燒結(jié)溫度應(yīng)不超過1450℃。粘結(jié)劑含量為8wt％的NiO/YSZ生坯經(jīng)1450℃燒結(jié)4h后得到的NiO/YSZ陽(yáng)極材料具有較好的綜合性能，其孔隙率為18％，孔徑分布在0.467-4.667μm，平均孔徑為0.57μm，還原后所得Ni/YSZ金屬陶瓷多孔陽(yáng)極的電