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8 mol％Y2O3稳定的ZrO2(8YSZ)材料具有优良的离子导电性能，在氧传感器、高温燃料电池及电化学氧泵等领域得到广泛应用。为解决目前8YSZ材料存在的机械性能偏低、抗老化及抗热震性能偏差等问题，本文研制了高致密、细晶粒的ZrO2-HfO2-Y2O3复合固体电解质材料，并对相关的制备工艺、材料的性能进行了研究。
本文采用反向滴定共沉淀-共沸蒸馏法成功地制备出了比表面积为65 m2/g、平均粒径为15 nm的单一立方相无团聚ZrO2-10 mol％HfO2-10 mol％Y2O3复合纳米粉体，借助XRD、TEM、BET等手段全面考察了制备工艺对粉体晶粒度、粒径和分散性能的影响。并以该复合粉体为原料采用无压烧结工艺制备了高致密、细晶粒的ZrO2-HfO2-Y2O3复合固体电解质材料，对烧结过程中试样的晶粒生长和致密化行为以及材料的离子电导率、力学性能及其与微观结构的关系等方面进行了研究。
反向滴定共沉淀-共沸蒸馏法制备ZrO2-HfO2-Y2O3复合粉体的实验结果表明，分散剂PEG6000的加入量(0～1.5wt％)及前驱体湿凝胶的处理方式对最终制备的ZrO2-HfO2-Y2O3复合粉体的晶粒度影响不大，但显著影响粉体的分散状态。分散剂加入量为1wt％并对湿凝胶共沸蒸馏处理条件下最终获得的粉体的分散性最好。
在1100℃、1200℃和1250℃的等温无压烧结实验表明，随着保温时间的增加，ZrO2-HfO2-Y2O3复合固体电解质试样的平均晶粒尺寸呈现出抛物线变化趋势，晶粒生长表观活化能为245 kJ·mol-1；在98.8％理论密度以下的中、后期恒温阶段，试样相对密度与烧结时间对数呈线性关系。利用无压烧结工艺制备高致密细晶ZrO2-HfO2-Y2O3复合固体电解质材料的适宜烧结条件是：烧结温度1250℃左右，保温时间约120 min。在此条件下，烧结试样相对密度可达98.8％，平均晶粒度为550 nm，表现出最佳的电导性能和力学性能。
交流阻抗谱测试结果表明，超细晶ZrO2-HfO2-Y2O3复合电解质材料电导率随温度升高迅速增大，至800℃时可达10-2S·cm-1以上。材料总电导率主要取决于晶界电导率而不是晶粒电导率，呈现出与传统粗晶材料完全相反的电导特性。在96.9～99.1％的相对密度范围内，晶粒电导率随试样相对密度的提高线性增大，而在0.3～1μm的亚微米尺度范围内晶粒长大对晶粒电导率影响不大；晶界电导率则同时受材料相对密度和晶粒大小的影响，随着相对密度的增加和晶粒的长大呈现先增加后降低的趋势，对应的晶界电导活化能和总电导活化能呈现出先降低后增加的趋势。
压痕法测试断裂韧性、维氏硬度的实验结果表明，ZrO2-10mol％HfO2-10mol％Y2O3复合固体电解质材料的力学性能明显优于全稳定YSZ材料，在1250℃保温120 min烧结后的试样的断裂韧性达到了3MPam1/2左右，比8YSZ材料的断裂韧性高出了1倍以上；其维氏硬度则达到了14.1GPa，高于3Y-TZP材料。这是由于在YSZ材料中复合添加了力学性能优良的HfO2的缘故。