高致密納米晶ZrO-,2--HfO-,2--Y-,2-O-,3--Sc-,2-O-,3-復合固體電解質(zhì)的制備及性能研究.pdf

1、氧化鋯基固體電解質(zhì)是一類研究最多、應用最廣泛的氧離子導體材料，它擁有較高的離子電導率和良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。但是目前氧化鋯基材料普遍存在工作溫度高，使用壽命短，靈敏度差等等缺點。為提高氧化鋯基固體電解質(zhì)的氧離子電導性能和材料的力學性能，本文用加熱醇水溶液的溶膠．凝膠法制得了具有良好分散性的納米級氧化鋯基粉體，對粉體進行表面處理研究，并用改變升溫速率的無壓燒結(jié)方法制得了高致密細晶ZrO<,2>-HfO<,2>-Y<,2>O<,3>-Sc<,2

2、>O<,3>固體電解質(zhì)。對四元體系的配比進行調(diào)整，確定了具有最優(yōu)良離子電導率的四元ZrO<,2>基材料。 用醇-水溶液加熱溶膠．凝膠法制得的分散性良好的納米級ZrO<,2>-HfO<,2>-Y<,2>O<,3>-Sc<,2>O<,3>粉體，利用TG-DSC對干燥后粉體的熱變化規(guī)律進行分析，X-Ray、SEM對最終粉體的形貌、粒徑、分散狀態(tài)進行測試，確定最佳制備工藝為：醇水比為5：1，溶液中金屬離子濃度為0.5mol/L，表面活性

3、劑加入量為1wt％，溶液pH=12。制得的ZrO<,2>-HfO<,2>-Y<,2>O<,3>-Sc<,2>O<,3>粉體粒徑小，平均粒徑為13nm，分散性好，經(jīng)620℃煅燒后可以得到單一立方相固溶體。這為制備納米晶固體電解質(zhì)創(chuàng)造了有利的條件。 采用上述方法制得的粉體為原料，對粉體進行乙醇球磨改性處理，并在此基礎(chǔ)上進行調(diào)整燒結(jié)工藝無壓燒結(jié)，經(jīng)1200℃煅燒4h后燒結(jié)體致密度可達到99％，晶粒尺寸小于100nm。對粉體進行改性處理

4、可以降低燒結(jié)溫度，提高燒結(jié)體致密度，同時降低了燒結(jié)體內(nèi)晶粒尺寸。在較低溫度下對試樣進行長期保溫并在高溫時降低燒結(jié)升溫速率可使試樣中有機物充分揮發(fā)并充分排除燒結(jié)體中氣孔，更有利于試樣致密化。 對用上述無壓燒結(jié)方法制備出的 ZrO<,2>-HfO<,2>-Y<,2>O<,3>-Sc<,2>O<,3>高致密細晶固體電解質(zhì)進行熱震實驗，逐漸升高熱震溫度，材料斷裂韌性呈先升緩慢增長后降低趨勢，室溫下斷裂韌性為2.09MPam<'1/2>，

5、這高于傳統(tǒng)微米材料的斷裂韌性。400℃熱震處理后達到最高值為2.3MPam<'1/2>。熱震會使材料中產(chǎn)生大量的微裂紋，熱震溫差加大，微裂紋數(shù)量增多，產(chǎn)生微裂紋增韌效果，隨著熱震溫差的繼續(xù)增大，裂紋產(chǎn)生失穩(wěn)擴展，斷裂韌性下降。 對不同配比的ZrO<,2>-HfO<,2>-Y<,2>O<,3>-Sc<,2>O<,3>高致密細晶固體電解質(zhì)進行交流阻抗譜測試，分別研究了該體系電導率隨HfO<,2>、Y<,2>O<,3>/Sc<,2>O