稀土摻雜二氧化錫陶瓷電極的制備及性能研究.pdf

1、SnO2陶瓷作為窯爐用電極材料主要用于熔化玻璃、搪瓷等物質，其不僅要有好的導電性能，還要求有強的耐侵蝕能力和高的強韌性。目前我國高檔次SnO2電極主要依賴進口，國產(chǎn)電極質量低下，不能滿足工程實際應用的需求。
　　 已有的關于SnO2的研究主要集中在敏感類陶瓷或薄膜材料，這類材料一般只要求單一提高燒結性能或電學性能，而窯爐用的SnO2陶瓷電極既要求高的電學性能，還要求好的燒結性能。
　　 本文利用粉末冶金法制備二氧化錫陶瓷

2、電極，在制備過程中嚴格控制工藝，保證摻雜的稀土元素均勻進入二氧化錫粉體中，通過高溫燒成得到致密二氧化錫陶瓷。利用多種手段對陶瓷的性能進行了表征，分析不同稀土摻雜劑對二氧化錫陶瓷的影響。
　　 首先制備了不同La2O3濃度摻雜的SnO2陶瓷電極，測試結果表明：La2O3的摻雜使陶瓷晶界平滑，晶相界面結合較好，摻雜0.50wt.％的La2O3時，開始出現(xiàn)第二相晶體La2Sn2O7；當摻雜量繼續(xù)增加至1.0wt.%時，SnO2基陶瓷的

3、晶體生長完整。在一定范圍內La2O3的摻入，能夠大幅度地降低SnO2陶瓷的常溫電阻率；在本研究中La2O3的摻雜量為0.50wt.%時，由于氧空位、自由電子以及非相變第二相晶體的存在，SnO2陶瓷材料的電阻率出現(xiàn)最低值為334Ω·cm，僅為無La2O3摻雜試樣電阻率的15%左右；而當La2O3的摻入量繼續(xù)升高時，由于晶體缺陷逐漸消失，SnO2陶瓷的常溫電阻率反而升高。
　　 本文研究了CeO2摻雜對SnO2陶瓷性能的影響。通過X

4、RD及SEM分析CeO2摻雜對SnO2基陶瓷晶體生長及微觀結構的影響，發(fā)現(xiàn)CeO2的摻雜能夠有效促進SnO2晶體的生長，降低燒結溫度，使SnO2晶粒趨于平整，晶相界面結合良好；并使氣孔的體積逐漸縮小以至排除，促進SnO2陶瓷燒結的致密化，提高陶瓷體積密度和致密度。CeO2的摻雜導致陶瓷內部的氧空位、自由電子以及其它載流子增多，提高了導電性能，當含量超過1wt.%時，常溫電阻率大幅度升高。
　　 本文還對Pr2O3和Nd2O3摻雜

5、的SnO2陶瓷進行了研究。結果表明Pr2O3的摻雜產(chǎn)生較多的晶界，當含量為3wt.%時，出現(xiàn)大量的第二相，XRD和EDS結果表明該第二相富含Pr2Sn2O7，提高了二氧化錫電極的導電性能。當摻雜5wt.%的Pr2O3時，Pr2O3的富集作用破壞了SnO2的晶格結構，導致電極燒結性能降低，致密度較差，并且影響了電學性能。Nd2O3由于自身電離能較高，離子半徑小，因此對二氧化錫陶瓷的燒結效果較差，也會提高電阻率。
　　 根據(jù)不同稀土

6、元素的性能對比，分析了稀土摻雜對二氧化錫電極性能的不同影響，研究發(fā)現(xiàn)La3+、Pr3+和Nd3+等三價稀土離子在SnO2晶格中容易析出第二相，而Ce4+容易進入晶格而不易析出第二相，因此能夠促進燒結。
　　 本文還詳細分析了稀土元素摻雜二氧化錫陶瓷的燒結機理。二氧化錫燒結前期的主要驅動力為固相燒結，通過晶界的遷移、彌合和消失實現(xiàn)致密化過程。通過SEM可以看出晶界表面有大量燒結波浪紋，推測陶瓷在高溫階段出現(xiàn)了瞬間液相，通過相圖分析

7、燒結溫度可能高于共熔點，隨著燒結的深入，摻雜離子富集在晶界處，在局部晶界處出現(xiàn)液相。因此產(chǎn)生了微量液相。在燒結后期，SEM-EDS圖中出現(xiàn)了大量的第二相，由于晶界處摻雜劑的富集，與SnO2主晶格分離形成第二相，生成體與SnO2基體會出現(xiàn)逐級分離的現(xiàn)象。
　　 最后，還研究了稀土摻雜二氧化錫陶瓷電極應用在玻璃窯爐中的工程實例。結果表明稀土摻雜能降低二氧化錫電極常溫電阻率，在降低窯爐的耗電量的同時，避免在電極內部形成內應力，減緩對電