一种耐受超快升降温的多功能陶瓷材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种耐受超快升降温的多功能陶瓷材料及其制备方法和应用，该多功能陶瓷材料的化学通式为Ln

【技术实现步骤摘要】
一种耐受超快升降温的多功能陶瓷材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于功能陶瓷
，尤其涉及一种多功能陶瓷材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]功能陶瓷因其独特的力学、电学、光学、热力学和催化特性在通讯、医疗和新能源等领域有着广泛的应用。尤其在新能源高温电催化、离子和电子传导领域，金属氧化物陶瓷材料能够替代传统的贵金属材料，大幅度降低新能源器件的生产和制造成本，促进新能源技术的实用化。
[0003]然而，陶瓷材料普遍存在抗热震性能差的问题。当升降温速率达到20℃/min，绝大部分陶瓷就会炸裂，严重影响高温电化学器件的实际使用寿命。例如在固体氧化物燃料电池和固体氧化物电解池领域，商业化氧电极La
0.2
Sr
0.8
Co
0.2
Fe
0.8
O3‑
δ
(LSCF)升降温速率大于15℃/min时它就会发生开裂和脱落问题。针对该问题，人们尝试通过往LSCF电极中添加具有更低热膨胀系数的电解质材料，如氧化钇稳定氧化锆(YSZ)和氧化钆掺杂氧化铈(GDC)，通过制备复合材料的方法来提高电极的抗热震性能。然而YSZ和GDC颗粒在升降温速率大于20℃/min时也会炸裂。对于高温电化学器件，在实际工况条件下每分钟20℃的升降温速率是非常常见的，因此有必要开发一种能够耐受快速升降温的多功能陶瓷材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是，克服以上
技术介绍
中提到的不足和缺陷，提供一种耐受超快升降温的多功能陶瓷材料及其制备方法和应用。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0006]一种耐受超快升降温的多功能陶瓷材料，所述多功能陶瓷材料的化学通式为Ln
0.5
M
0.5
Co1‑
x
Bi
x
O3‑
δ
，其中Ln为Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm和Gd中的一种或多种元素的组合，M为Ba、Sr、Ca和Mg中的一种或多种元素的组合，0≤x≤0.5；所述δ为氧空位含量，具体为材料中单个晶胞内氧空位的含量，0≤δ≤1。
[0007]对于本专利技术的多功能陶瓷材料，若x大于0.5，则会导致材料过软，将很难成相。
[0008]优选的，所述耐受超快升降温是指耐受以大于100℃/s的速率进行升温或降温。既将所述多功能陶瓷材料以大于100℃/s的速率进行升温或降温，所述多功能陶瓷材料不开裂。
[0009]进一步优选的，所述耐受超快升降温是指耐受以大于500℃/s的速率进行升温或降温。
[0010]优选的，所述多功能陶瓷材料在25
‑
800℃温度范围内的电导率大于200S/cm。本专利技术材料之所以具备该特点是因为材料中存在大量可变价的Co元素，作为电子传导载流子的空穴能够在Co
‑
O
‑
Co键中扩散。
[0011]优选的，所述多功能陶瓷材料的化学式为Nd
0.5
Ba
0.2
Sr
0.3
Co
0.8
Bi
0.2
O3‑
δ
、
La
0.5
Ba
0.1
Ca
0.4
Co
0.9
Bi
0.1
O3‑
δ
或Pr
0.5
Sr
0.5
Co
0.65
Bi
0.35
O3‑
δ
。
[0012]优选的，所述多功能陶瓷材料为钙钛矿结构，分子通式为ABO3‑
δ
，其中A为Ln
0.5
M
0.5
，B为Co1‑
x
Bi
x
，所述钙钛矿结构的多功能陶瓷材料为立方相、四方相或正交相。所述多功能陶瓷材料的晶体结构示意图可如图11所示。
[0013]作为一个总的专利技术构思，本专利技术提供了一种耐受超快升降温的多功能陶瓷材料的制备方法，该制备方法为溶胶
‑
凝胶法，包括以下步骤：
[0014](1)将络合剂溶于纯净水中，得溶液Ⅰ；
[0015](2)将Ln、M、Co、Bi的可溶性盐按分子式的配比加入到溶液Ⅰ中；再用碱液将所得溶液的pH值调至接近中性，得溶液Ⅱ；
[0016](3)将溶液Ⅱ置于封闭容器内，恒温加热搅拌，形成溶胶；
[0017](4)利用喷雾干燥方法将所述溶胶制备成干凝胶颗粒；
[0018](5)将上述干凝胶颗粒进行预烧结，得预烧结粉体；
[0019](6)将预烧结粉体压制成烧结生坯；
[0020](7)将烧结生坯进行高温烧结，得所述多功能陶瓷材料。
[0021]优选的，步骤(1)中，所述络合剂包含摩尔比为1:2
‑
5:1组成的柠檬酸和乙二胺四乙酸，所述溶液Ⅰ中柠檬酸的浓度为0.5
‑
4mol/L；本专利技术中，采用柠檬酸和乙二胺四乙酸作为络合剂，可获得组分更加均匀的多功能陶瓷材料；
[0022]步骤(2)中，加入的可溶性盐的总金属阳离子与溶液Ⅰ中所有络合剂成分的摩尔量之和的摩尔比为1:1
‑
1:4；所述Ln、M、Co、Bi的可溶性盐为Ln的硝酸盐、M的硝酸盐、Co的硝酸盐、Bi的硝酸盐；所述用碱液将所得溶液的pH值调至接近中性具体为用氨水将所得溶液的pH值调至6
‑
7。
[0023]优选的，步骤(3)中，所述恒温加热搅拌的温度为60
‑
95℃，时间为5
‑
50h；
[0024]步骤(4)中，所述喷雾干燥时，喷雾口的温度为100
‑
200℃；
[0025]步骤(5)中，所述预烧结的温度为300
‑
700℃，预烧结的时间为2
‑
10h；
[0026]步骤(6)中，所述压制的压力为100
‑
200MPa；
[0027]步骤(7)中，所述高温烧结的温度为1000
‑
1200℃，高温烧结的时间为4
‑
10h。
[0028]作为一个总得专利技术构思，本专利技术提供了一种上述多功能陶瓷材料或通过上述制备方法制备得到的多功能陶瓷材料的应用，将所述多功能陶瓷材料作为高温氧透析膜的膜材料、固体氧化物燃料电池的阴极催化剂、固体氧化物电解池的阳极催化剂或高温氧传感器的催化剂；本专利技术多功能陶瓷材料在上述领域应用时具有催化活性高和抗热震性能好的特点；
[0029]或将所述多功能陶瓷材料应用于制备金属空气电池的氧电极，所述金属空气电池为镁空气电池、锌空气电池、铝空气电池或锂空气电池，本专利技术多功能陶瓷材料在上述领域应用时，具有氧催化还原活性高的特点。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种耐受超快升降温的多功能陶瓷材料，其特征在于，所述多功能陶瓷材料的化学通式为Ln
0.5
M
0.5
Co1‑
x
Bi
x
O3‑
δ
，其中Ln为Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm和Gd中的一种或多种元素的组合，M为Ba、Sr、Ca和Mg中的一种或多种元素的组合，0≤x≤0.5；所述δ为氧空位含量，0≤δ≤1。2.根据权利要求1所述的多功能陶瓷材料，其特征在于，所述耐受超快升降温是指耐受以大于100℃/s的速率进行升温或降温。3.根据权利要求2所述的多功能陶瓷材料，其特征在于，所述耐受超快升降温是指耐受以大于500℃/s的速率进行升温或降温。4.根据权利要求1所述的多功能陶瓷材料，其特征在于，所述多功能陶瓷材料在25
‑
800℃温度范围内的电导率大于200S/cm。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的多功能陶瓷材料，其特征在于，所述多功能陶瓷材料的化学式为Nd
0.5
Ba
0.2
Sr
0.3
Co
0.8
Bi
0.2
O3‑
δ
、La
0.5
Ba
0.1
Ca
0.4
Co
0.9
Bi
0.1
O3‑
δ
或Pr
0.5
Sr
0.5
Co
0.65
Bi
0.35
O3‑
δ
。6.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的多功能陶瓷材料，其特征在于，所述多功能陶瓷材料为钙钛矿结构，分子通式为ABO3‑
δ
，其中A为Ln
0.5
M
0.5
，B为Co1‑
x
Bi
x
，所述钙钛矿结构的多功能陶瓷材料为立方相、四方相或正交相。7.一种如权利要求1
‑
6中任一项所述的耐受超快升降温的多功能陶...

【专利技术属性】
技术研发人员：庞胜利，龙超，柯凌峰，方婷，宋祎凡，杨公梅，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：