本发明专利技术涉及一种提高Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］稳定ＺｒＯ↓［２］陶瓷材料中低温电导率的方法。一种显著提高Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］稳定ＺｒＯ↓［２］陶瓷材料中低温电导率的方法，其特征在于：将粒径为１０－２０ｎｍ的ＹＳＺ粉末放入内径为１０ｍｍ的石墨模具内，利用脉冲电流烧结设备进行烧结；烧结时轴向压力为２５ＭＰａ，升温速率７０－１００℃／ｍｉｎ，在１１５０～１２５０℃保温３～５分钟，随炉冷却；随后在１０００℃空气中退火２小时，除去游离碳，获得Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］稳定ＺｒＯ↓［２］陶瓷材料，其３００～５００℃电导率为１．０１３×１０↑［－４］Ｓ／ｃｍ～５．０６５×１０↑［－３］Ｓ／ｃｍ。本发明专利技术使ＹＳＺ陶瓷材料中低温电导率提高１０～８０倍，且方法简易、成本低，易于进行批量生产。
Method for improving low temperature conductivity of ZrO* ceramic material stabilized by Y*O*
The invention relates to an improved Y: 2 O: 3 ZrO: 2 methods of low temperature conductivity in ceramic materials. A significantly improved Y methods: low temperature conductivity of 2 O: 3 ZrO: 2 ceramic material, which is characterized in that: the particle size of YSZ powder is 10 - 20nm in diameter of graphite mould 10mm, using sintering pulse electric current sintering sintering equipment; axial pressure for 25MPa, the heating rate of 70 to 100 deg / min, 1150 ~ 1250 DEG C for 3 to 5 minutes, with the furnace cooling at 1000 DEG C; then annealing in air for 2 hours, remove free carbon, Y: 2 O: 3 ZrO: 2 ceramic materials, the 300 ~ 500 x 10 = C conductivity was 1.013, 4 S / cm ~ 5.065 x 10 = 3 / S / cm. The invention improves the conductivity of YSZ ceramic materials at 10~80 times, and has the advantages of simple method, low cost and easy batch production.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种提高Y2O3稳定ZrO2陶瓷材料中低温电导率的方法。
技术介绍
Y2O3稳定ZrO2(简称YSZ)是一种离子导体，Y2O3稳定ZrO2陶瓷材料(简称YSZ陶瓷材料)在高温固体氧化物燃料电池(SOFC)及氧传感器、氧泵等领域具有重要应用。在800～1000℃，YSZ陶瓷材料已实现商业应用。但人们一直在探索中低温(300～700℃)YSZ陶瓷材料应用的可能性，因为中低温显示出更诱人的需求。如对于氧传感器来说，汽车用质子膜燃料电池的工作温度低于150℃，要求控制氧浓度的传感器工作温度也在150℃左右，而低熔点金属冶炼也需要低温氧传感器；对于SOFC来说，大幅度降低使用温度，将使电池其它配件的性能更为稳定，延长使用寿命。因此开发中低温使用的YSZ陶瓷材料具有重要意义。但目前YSZ陶瓷材料在中低温电导率很低，还无法达到使用要求。各国学者对这个问题已开展了十几年的研究。研究结果表明，晶界电导普遍比晶内电导至少低2～3个数量级，因此晶界是阻碍氧离子传输的主要障碍。早期学者的解释是由于晶界SiO2的存在，阻碍了氧空位在晶界的迁移。但越来越多的证据表明即使晶界非常干净，不存在SiO2等杂质相，晶界电导仍然很低。最近郭新提出了晶界空间电荷层的概念(见Progress in MaterialsScience，2006)，认为在晶界非常狭窄的区域内，晶界电势比晶内电势低，导致晶界电导比晶内电导低。按照这个观点，晶界电导低是晶界固有的本性。虽然郭新的观点引起学者的普遍关注，但只当成一个学术论点而已，就连郭新本人也没有探索如何克服晶界高电阻问题。目前很多学者认为从材料本性上降低YSZ陶瓷材料电阻率已非常有限，只是通过制作薄膜，减小块体厚度，降低YSZ陶瓷材料总电阻。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种显著提高Y2O3稳定ZrO2陶瓷材料中低温电导率的方法，该方法得到的Y2O3稳定ZrO2陶瓷材料在中低温状态下(300～500℃)具有较高的电导率(1.013×10-4S/cm～5.065×10-3S/cm)，且方法简易、成本低。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是一种显著提高Y2O3稳定ZrO2陶瓷材料中低温电导率的方法，其特征在于将粒径为10-20nm的YSZ粉末放入内径为10mm的石墨模具内，利用脉冲电流烧结设备(SPS-1050)进行烧结；烧结时轴向压力为25MPa，升温速率70-100℃/min，在1150～1250℃保温3～5分钟，随炉冷却；随后在1000℃空气中退火2小时，除去游离碳，得到Y2O3稳定ZrO2陶瓷材料，其300～500℃电导率为1.013×10-4S/cm～5.065×10-3S/cm。晶界电导比晶内电导低是晶界固有的本性，因此提高YSZ陶瓷材料电导率的最佳方法是消除晶界。最有效的方法是制备单晶，但制备单晶的成本非常昂贵。本专利技术采用消除部分晶界的方法，也可使电导率大幅度提高。本专利技术采用脉冲电流烧结技术，通过局部高温或颗粒间放电，可以消除部分晶界。但颗粒间放电需要有一定的条件，其中粉末粒度与烧结工艺的有效结合最为关键。虽然有研究者利用脉冲电流烧结技术烧结过YSZ纳米粉，但他们对脉冲电流烧结机理认识不足，出发点不同，选用的粉末粒径不合适；或烧结工艺不合适，着重点放在制备纳米块体材料上，因此没有获得颗粒间放电或部分晶界消失的效果，中低温导电率当然不会很高。也有研究者对初始粒径为10～20纳米的YSZ粉末进行无压烧结或热压烧结，当然也得不到脉冲电流烧结的效果。根据大量的实验探索，得到最佳工艺组合如下(1)最佳YSZ粉末为10-20nm(可用共沉淀法制备)；(2)最佳烧结工艺对于内径为10mm的石墨模具(烧结工艺与模具内径有关)，升温速率70-100℃/min，在1150～1250℃保温3～5分钟，随炉冷却。本专利技术的有益效果是利用脉冲电流烧结技术对10-20nm纳米YSZ粉末进行烧结，并在本专利技术的上述条件下，通过诱发高频电磁波，产生局部高温或颗粒间放电，使颗粒间产生熔融，部分晶界消失，由此大幅度提高晶界电导率，使YSZ陶瓷材料中低温(300～500℃)电导率提高10～80倍；本专利技术的方法简易、成本低，易于进行批量生产。附图说明图1是实施例1按本专利技术的方法得到YSZ陶瓷材料样品电导率及与资料的比较图。图2是实施例1按本专利技术的方法得到YSZ陶瓷材料样品晶界电导、晶内电导与资料的比较，结果表明本专利技术样品的晶界电导比郭新数据高2～3个数量级，同时晶内电导也有一定的提高，因此本专利技术样品的总电导率得到大幅度提高。图3-a、图3-b是实施例1脉冲电流烧结YSZ陶瓷材料的微观结构分析(SEM)，可以发现1点(高温区)部分晶界消失；2点(低温区)存在很多细小晶粒。具体实施例方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。实施例1一种显著提高Y2O3稳定ZrO2陶瓷材料中低温电导率的方法，它包括如下步骤1、YSZ纳米粉的制备以高纯ZrOCl2.8H2O和Y(NO3)为原料，按照92mol％ZrO2比8mol％Y2O3混合制备成混合液；将摩尔比(1∶1)的氨水逐滴滴入不断搅拌的混合液中，控制混合液温度为60℃，PH值为9.5；反应结束后，过滤，用去离子水反复清洗沉淀物，除去多余的Cl-、NH4+等离子；然后用酒精清洗沉淀物，除去沉淀物中的水；将沉淀物在60℃真空烘箱中烘拷15小时，获得YSZ前驱体；将前驱体粉末研磨后，在700℃煅烧2小时，获得YSZ纳米粉。XRD分析确认所制备的纳米粉为立方相YSZ，TEM分析表明纳米粉的粒径为10-20nm。2、脉冲电流烧结取1克上述10-20nm的YSZ粉末(新鲜、无团聚)，放入内径为10mm的石墨模具中，利用SPS-1050设备进行烧结；轴向压力为25MPa，升温速率100℃/min，烧结温度1250℃，保温5分钟，随炉冷却，得脉冲电流烧结后的样品。3、后处理脉冲电流烧结后的样品，在1000℃空气中退火2小时，除去游离碳，得到Y2O3稳定ZrO2陶瓷材料，其300～500℃电导率为1.013×10-4S/cm～5.065×10-3S/cm，样品(得到的Y2O3稳定ZrO2陶瓷材料)的相对密度达99％。随后将样品在磨床上进行抛磨，至厚度1mm；两个抛磨面涂上铂浆，在830℃、10分钟烧制成电极；利用交流阻抗谱测试烧制成的电极的电阻。测试结果与分析所获得的电导率如图1所示，与国内外其它文献资料相比，本专利技术所制备的样品在中低温电导率显著提高，其中300～500℃提高10-80倍。随着温度升高，本专利技术的结果与他人的结果逐渐趋同，在850℃，电导率与他人结果一致。利用交流阻抗谱测试的电阻，可以把晶内电阻与晶界电阻区分开来，结果如图2所示。结果表明与郭新等研究者的数据相比，本专利技术数据的特点是晶界电导得到大幅度提高，晶界电导提高2～3个数量级。为了分析本专利技术样品电导率高的原因，进行了SEM微观结构分析，如图3-a、图3-b所示。整体结构均匀(图3-a)，但很难看到完整晶粒。进一步放大表明(图3-b)晶粒在某些部位相连，部分晶界消失(图3-b中的1点)。而在有些区域，仍可发现细小完整的晶粒存在(图3-b中的2点)。产生这种现象本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种显著提高Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］稳定ＺｒＯ↓［２］陶瓷材料中低温电导率的方法，其特征在于：将粒径为１０－２０ｎｍ的ＹＳＺ粉末放入内径为１０ｍｍ的石墨模具内，利用脉冲电流烧结设备进行烧结；烧结时轴向压力为２５ＭＰａ，升温速率７０－１００℃／ｍｉｎ，在１１５０～１２５０℃保温３～５分钟，随炉冷却；随后在１０００℃空气中退火２小时，除去游离碳，获得Ｙ↓［２］Ｏ↓［３］稳定ＺｒＯ↓［２］陶瓷材料，其３００～５００℃电导率为１．０１３×１０↑［－４］Ｓ／ｃｍ～５．０６５×１０↑［－３］Ｓ／ｃｍ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张东明，雷小力，张联盟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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