復(fù)合摻雜ZrO2固體電解質(zhì)的制備及其性能研究.pdf

1、氧化鋯固體電解質(zhì)定氧探頭在鋼鐵精煉中已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用,但是在低氧(10ppm)條件下,傳統(tǒng)氧化鎂單一穩(wěn)定的部分穩(wěn)定氧化鋯由于固體電解質(zhì)電子電導(dǎo)的影響使其測(cè)量精度受到影響。另外,對(duì)固體電解質(zhì)室溫下單斜相(m)在升溫過(guò)程中的相轉(zhuǎn)變程度對(duì)高溫電導(dǎo)及抗熱震性的影響規(guī)律的認(rèn)識(shí)不足,前人對(duì)于定氧探頭的研究思路較傾向于優(yōu)先保證足夠的抗熱震性,卻輕視了室溫相向高溫相轉(zhuǎn)變程度對(duì)高溫電導(dǎo)的影響。因此,本文試圖通過(guò)多元復(fù)合摻雜,并結(jié)合熱處理,在保證氧化鋯高

2、溫離子電導(dǎo)的條件下,獲得足夠的抗熱震性能。
　　論文首先采用機(jī)械復(fù)合法制備多元摻雜氧化鋯固體電解質(zhì),探討了多元復(fù)合摻雜氧化鋯陶瓷的無(wú)壓燒結(jié)工藝,通過(guò)調(diào)整燒結(jié)工藝參數(shù)獲得了相對(duì)密度較高,摻雜元素分布較均勻的復(fù)合摻雜固體電解質(zhì)陶瓷材料。同時(shí),通過(guò)對(duì)不同摻雜比例的試樣進(jìn)行燒結(jié)后熱處理實(shí)驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)復(fù)合摻雜材料中Y2O3含量對(duì)m相含量起主導(dǎo)作用。燒結(jié)后的不同溫度熱處理可以改變復(fù)合摻雜材料的晶粒尺寸,經(jīng)1150℃熱處理后復(fù)合摻雜材料中顆粒長(zhǎng)

3、大最明顯。Al2O3的加入形成尖晶石可以有效抑制復(fù)合摻雜材料顆粒的長(zhǎng)大。
　　熱膨脹及抗熱震性試驗(yàn)結(jié)果表明,在摻雜總量一定時(shí)Y2O3與MgO的相對(duì)比例越高,單斜相轉(zhuǎn)變溫度范圍越窄,且起始轉(zhuǎn)變溫度越高,導(dǎo)致復(fù)合摻雜材料熱震后的強(qiáng)度損失率越大。800-1000℃之間的收縮程度越大,強(qiáng)度損失率也越大。
　　通過(guò)研究不同摻雜含量的燒結(jié)試樣的電阻抗性能,發(fā)現(xiàn)復(fù)合穩(wěn)定的氧化鋯固體電解質(zhì)的電性能并不是隨著某一摻雜劑含量的升高而線性變化的。

4、此結(jié)果與傳統(tǒng)的單一穩(wěn)定劑在全穩(wěn)定范圍內(nèi)電性能隨穩(wěn)定劑含量線性增長(zhǎng)的規(guī)律有所差異。但對(duì)比Mg-PSZ在900℃時(shí)的總電導(dǎo)率,可以看出,復(fù)合穩(wěn)定的PSZ電解質(zhì)的總電導(dǎo)率要高一個(gè)數(shù)量級(jí)。
　　對(duì)PSZ固體電解質(zhì)不同溫度交流阻抗譜擬合后發(fā)現(xiàn),晶界電導(dǎo)活化能與總電導(dǎo)活化能的走勢(shì)一致,說(shuō)明晶界電導(dǎo)率對(duì)PSZ電解質(zhì)電導(dǎo)率的影響占主要地位。并且中高溫下的晶界電導(dǎo)高于晶粒電導(dǎo)。在對(duì)等效擬合電路進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,得到材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)隨溫度變化的演變趨

5、勢(shì)模型。
　　通過(guò)對(duì)熱膨脹性質(zhì)及抗熱震性、電性能的研究,并結(jié)合現(xiàn)有理論分析,建立了不同制備條件下得到的平均熱膨脹系數(shù)與m相含量之間的線性關(guān)系模型,將其作為原料選擇及制定燒結(jié)工藝的參考依據(jù);對(duì)m相含量進(jìn)行量化、控制t相熱膨脹系數(shù)與m相含量之間的關(guān)系,理論上可以得到抗熱震性優(yōu)良的固體電解質(zhì)材料。同時(shí),建立了t相含量與電導(dǎo)率之間的數(shù)值演化模型;發(fā)現(xiàn)材料體系高溫下出現(xiàn)的熱膨脹系數(shù)突變點(diǎn),可以作為預(yù)測(cè)固體電解質(zhì)電性能的一個(gè)重要指標(biāo)。對(duì)兩類模