钇稳定氧化锆(YSZ)凭借其在高温环境下的高离子导电性和高稳定性,成为广泛应用的燃料电池电解质材料。研究发现,晶界离子电导率比晶体内部低2～3个数量级,若使用单晶YSZ,可适当提高电导率,但是单晶制备困难、成本很高,因此目前工业上主要应用多晶形式的YSZ电解质。为分析晶界结构与离子导电的关系,本文测量了不同晶界的电导率,计算分析了晶界附近缺陷和团簇的分布,并讨论了团簇分布对晶界离子导电的影响。其中晶界通过重位点阵模型进行描述。首先,测量了YSZ中{111}和{110}扭转晶界在高温条件下的单位面积电阻和激活能,发现随∑值增加,{111}扭转晶界的离子导电激活能先增大后减小,单位面积电阻逐渐增加；而{110}扭转晶界的激活能和单位面积电阻都先减小后增大。其次,计算分析了{111}∑3、∑7和∑21扭转晶界附近的氧空位(Vo")和钇离子(Yzr’)的形成能和偏聚能,次近邻(Yzr’Vo")和(2YZr’Vo")x团簇的形成能、结合能和偏聚能,以及(Yzr’Vo")与YZr’偏聚能的差值,并预测了缺陷和团簇在晶界附近的分布情况。发现缺陷和团簇均比较容易分布在晶界附近,其中∑3晶界附近偏聚最容易,但是团簇分布不均匀；∑7和∑21晶界附近,团簇会比较均匀的聚集到晶界两侧；团簇在∑7晶界附近比1221晶界更容易聚集；在∑7和∑21晶界附近,Y3+离子位于重位点位置时,晶界附近更容易形成相对稳定的团簇。最后,我们对以上实验和计算结果进行讨论,发现了影响晶界离子导电的三个主要因素：错配度、掺杂偏聚和团簇聚集。错配度增加对氧空位的扩散起促进作用,掺杂元素在晶界处的偏聚和团簇在晶界附近聚集对氧空位的扩散起阻碍作用,但是{111}扭转晶界附近团簇的不均匀聚集可以减弱团簇对氧空位的阻碍。