EB-PVD工藝制備YSZ及Ni-YSZ功能涂層的研究.pdf

1、本文采用電子束物理氣相沉積(EB-PVD)技術(shù)制備了用于固體氧化物燃料電池(SOFC)的Ni-YSZ陽極涂層及YSZ電解質(zhì)涂層材料。采用X射線熒光光譜(XRF)、X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、電子探針(EPMA)、透射電鏡(TEM)、原子力顯微鏡等分析測試技術(shù)對(duì)涂層的成分及微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，對(duì)涂層的孔隙率、氣密性及電導(dǎo)率等性能進(jìn)行了測試和表征，并對(duì)組裝的單電池的輸出性能進(jìn)行了研究。
　　采用EB-PVD工藝在多孔

2、的NiO-YSZ基體上制備了8YSZ電解質(zhì)涂層，制備態(tài)及1000℃退火后的涂層均由單一的立方Y(jié)SZ相組成。電解質(zhì)涂層的SEM分析表明，涂層呈現(xiàn)出典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)，在柱狀晶間隙處存在微米級(jí)的孔隙。涂層元素沿?cái)嗝娣植嫉腅PMA分析結(jié)果表明，涂層內(nèi)的Zr、Y、O元素分布均勻。TEM分析結(jié)果表明，涂層的斷面由條形或錐形的晶粒組成，在這些晶粒的內(nèi)部呈現(xiàn)出許多寬度為幾納米并按照一定角度傾斜的白色跡線。
　　氣密性測試結(jié)果表明，EB-PVD工藝

3、制備的YSZ電解質(zhì)涂層的氣體擴(kuò)散系數(shù)為9.78×10-5cm4·N-1·s-1，此值較大氣等離子噴涂制得的電解質(zhì)涂層的氣體擴(kuò)散系數(shù)降低了60％以上。YSZ電解質(zhì)涂層的電導(dǎo)率表現(xiàn)出顯著的各向異性，在500℃～800℃的溫度范圍內(nèi)，電解質(zhì)涂層垂直于涂層表面方向的電導(dǎo)率均顯著高于平行于表面方向的電導(dǎo)率。根據(jù)Arrhenius方程計(jì)算出的垂直于涂層表面方向和平行于涂層表面方向的電導(dǎo)活化能分別為80.884kJ/mol和110.147kJ/mol

4、。
　　采用低壓浸滲裝置對(duì)EB-PVD制備的電解質(zhì)涂層進(jìn)行了溶膠浸滲處理，根據(jù)對(duì)溶膠前驅(qū)體粉末進(jìn)行的DSC-TG分析和XRD分析結(jié)果確定了致密化的燒結(jié)工藝。經(jīng)過溶膠浸滲處理之后，電解質(zhì)涂層的氣體擴(kuò)散系數(shù)從制備態(tài)的9.78×10-5cm4·N-1·s-1下降至4次和8次溶膠浸滲處理后的3.18×10-5cm4·N-1·s-1和9.56×10-6cm4·N-1·s-1。SEM分析表明，溶膠浸滲處理之后，制備態(tài)電解質(zhì)涂層表面晶體顆粒之間

5、的孔隙和缺陷被溶膠所填充，涂層表面變得光滑、致密；斷面分析表明，溶膠滲入涂層的深度可達(dá)3.5μm。相對(duì)于制備態(tài)涂層材料的電導(dǎo)率，經(jīng)過4次和8次溶膠浸滲處理之后，垂直于涂層表面方向電導(dǎo)率提高的幅度均在10%以內(nèi)，且8次浸滲處理相對(duì)4次浸滲處理之后涂層電導(dǎo)率的提高不明顯。溶膠浸滲處理后8YSZ電解質(zhì)涂層垂直于涂層表面的電導(dǎo)率仍比塊體材料電導(dǎo)率低30%左右。
　　單電池800℃的輸出性能表明，采用制備態(tài)YSZ涂層作為電解質(zhì)材料的單電池其

6、開路電壓為0.820V，采用經(jīng)過4次和8次溶膠浸滲處理后的涂層作為電解質(zhì)材料的單電池，其開路電壓分別升高至1.017V和1.036V。對(duì)于采用制備態(tài)電解質(zhì)涂層的單電池，其最大輸出功率密度為70mW/cm2；電解質(zhì)涂層經(jīng)過4次和8次浸滲處理后，單電池的最大輸出功率密度分別提高到為140mW/cm2和153mW/cm2。
　　與此同時(shí)，采用雙源蒸發(fā)工藝，通過同時(shí)蒸發(fā)金屬Ni和YSZ錠料沉積制備了Ni-YSZ涂層。SEM分析表明，Ni-

7、YSZ涂層表現(xiàn)為典型的柱狀晶生長模式。TEM分析表明涂層內(nèi)的晶粒細(xì)小且含有大量納米級(jí)的孔隙。N2吸附曲線結(jié)果表明，涂層的比表面積為3.232m2/g，平均孔徑為25nm，總的孔體積為0.0202cm3/g。由于第二相粒子的加入對(duì)陰影效應(yīng)的強(qiáng)化作用，當(dāng)Ni含量由18%增加至44%時(shí)，Ni-YSZ涂層的孔隙率亦由12%增長至19%；當(dāng)Ni含量進(jìn)一步增長至63%，涂層的孔隙率呈現(xiàn)出下降趨勢，由19%下降至11%。隨著Ni含量的變化，Ni-YS

8、Z涂層的電導(dǎo)率表現(xiàn)出了典型的S形曲線。
　　采用雙源蒸發(fā)工藝，通過同時(shí)蒸發(fā)NiO和YSZ錠料沉積制備了NiO-YSZ涂層，并在800oC氫氣氣氛下還原2h得到最終的Ni-YSZ涂層。SEM分析表明涂層的孔隙直徑大部分在幾十納米到幾百納米范圍內(nèi)。相對(duì)于直接利用EB-PVD工藝制備的Ni-YSZ涂層，NiO-YSZ涂層經(jīng)過還原處理得到的Ni-YSZ涂層，其比表面積由3.232m2/g提高到4.330m2/g，總的孔隙體積由0.0202