LaNbO4增韌固體氧化物燃料電池陽極支撐體NiO-Y2O3穩(wěn)定的ZrO2的研究.pdf

1、固體氧化物燃料電池（SOFC）是一種將化石或碳氫燃料轉換成清潔電能的新興技術，在可攜帶式電源、交通工具、分布式發(fā)電廠和集中式發(fā)電廠等領域有著廣泛的應用前景。在多種不同結構設計的SOFC中，平板式SOFC由于制備成本低廉、功率密度高而更加受到青睞，是最具有商業(yè)化應用前景的SOFC類型。在陽極支撐平板式SOFC中，Ni-YSZ（Y2O3穩(wěn)定的ZrO2）金屬陶瓷是目前最常用的陽極材料，它通常是由室溫的NiO-YSZ陶瓷復合材料在還原氣氛的電堆

2、運行過程中還原而得。然而，當電堆裝配時，電池的支撐體是NiO-YSZ復合陶瓷而不是Ni-YSZ金屬陶瓷。與其他陶瓷材料一樣，NiO-YSZ復合陶瓷有著固有的脆性，易斷裂。因此，它作為陽極支撐體面臨的問題是在電堆組裝過程中的壓力荷載易導致單電池破裂，從而導致燃料和氧化氣體互串、電池失效、電堆性能衰減等的情況的發(fā)生。為了解決上述問題，本文研究選用LaNbO4作為增韌的第二相材料添加到NiO-YSZ中，用來提高在室溫中電池裝配時陽極支撐體的斷

3、裂韌性。因為LaNbO4是一種鐵彈材料，室溫中單斜相的LaNbO4存在著兩個不同晶體取向的疇結構，它們是被以{204}I/{402}II晶面族上的晶面分界隔開的。并且其疇界具有很高的移動性，在外應力的作用下能發(fā)生疇結構的相互轉換，這一機制有可能增韌陶瓷。本文為此展開了以下幾個方面的研究工作：LaNbO4粉末的制備與表征；LaNbO4與NiO-YSZ化學相容性分析；LaNbO4-NiO-YSZ復合陶瓷機械性能測定；LaNbO4在復合陶瓷中

4、的疇轉增韌機理探討；多孔LaNbO4-NiO-YSZ陽極支撐體導電、力學和熱膨脹性能評估與優(yōu)化。
　　本研究主要內容包括：⑴采用固相合成法制備LaNbO4晶體，經過48小時球磨可得平均粒徑大約是1.5μm，粒徑分布均勻的LaNbO4粉體。⑵LaNbO4，NiO和YSZ晶粒均勻分布在復合陶瓷中，其微觀結構因LaNbO4含量的增加被細化。而且它們化學相容性好并且結構穩(wěn)定，在常壓下1500℃燒結6小時后沒有新相生成。⑶LaNbO4的加入

5、對LaNbO4-NiO-YSZ復合陶瓷燒結性能基本無影響。盡管LaNbO4的添加會使復合陶瓷的硬度和彈性模量減小，但復合陶瓷的斷裂強度大小不隨LaNbO4的加入而發(fā)生太大改變，而是由其內部隨機出現的缺陷尺寸所決定的。⑷NiO-YSZ復合陶瓷加入LaNbO4后，其斷裂韌性隨著LaNbO4含量的增加而增加。對于LaNbO4含量為30wt％的復合陶瓷，其斷裂韌性KIC為3.1MPam1/2，較NiO-YSZ提高了42%。增韌效應主要來自于微觀

6、結構中晶粒的細化作用、斷裂模式改變導致裂紋偏轉以及單斜相LaNbO4疇結構轉換。⑸采用透射電鏡原位拉伸的方式，觀察到LaNbO4-NiO-YSZ復合陶瓷中LaNbO4內部疇結構的形貌在受力前后有著明顯的變化；其疇轉換的驅動力來源于兩種不同取向的疇域之間的吉布斯自由能差。LaNbO4的疇轉換增韌機理是通過疇結構的轉換松弛積聚在裂紋尖端的應力，阻礙了裂紋的擴展，從而提高了復合陶瓷的斷裂韌性。⑹多孔陽極支撐體LaNbO4-NiO-YSZ（LN