Sm0.2Ce0.8O1.9固体电解质闪烧过程研究

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中低温固体氧化物燃料电池(IT-SOFC)是当前研究的热点。研究表明,氧化钐掺杂二氧化铈(SDC)在中低温条件下电导率较高,是理想的IT-SOFC电解质材料。然而,SDC需要长时间高温烧结才能致密。近年来,一种名为“闪烧”的烧结技术突破了传统烧结模式,具有烧结速度快、烧结温度低、保温时间短的特点,引起了世界普遍关注。本文以降低SDC电解质烧结温度为目的,研究其闪烧过程,探索了闪烧现象的机理,并提出石墨辅助闪烧技术,在室温下制得致密的电解质。  采用溶胶凝-胶法合成SDC电解质粉体,并组建闪烧实验装置,探索了电解质材料在不同电场强度(E)和不同电流密度(J)下的烧结行为。为避免闪烧现象发生时瞬间功率过大造成电解质结构破坏,本文提出阶梯增流闪烧模式,步长为2.5Acm-2。实验表明,电解质两端所加E由60Vcm-1增加到120Vcm-1时,其闪烧点由756℃降至578℃。在E=120Vcm-1时,J由2.5Acm-2增加到30Acm-2,电解质致密程度逐渐增大,并伴随有晶粒尺寸增长。电流密度是决定电解质致密程度及晶粒尺寸大小的重要参数,而电场强度可以改变材料的闪烧点,对晶粒尺寸的影响较小。  闪烧过程中,样条实际温度难于精确测量,本文采用黑体辐射理论估算不同电流密度下的试样温度,发现随着电流密度的增大,样条与炉体温差逐渐增大,并认为焦耳热是闪烧过程中的重要因素。采用有限元模拟对闪烧过程中样条温度分布进行仿真,结果表明样条内部和表面存在较大温度差异,内部温度高于表面。即使在样条表面,也存在温度梯度。通过对闪烧后样条表面不同位置进行微观形貌表征,发现样条表面中心区域致密度较高,晶界清晰。从中心到四周,气孔率逐渐增大,晶粒尺寸逐渐减小。样条表面致密度梯度与温度梯度相吻合。  在探索闪烧过程的基础上,通过在电解质粉体中添加一定比例的纳米石墨粉,进一步降低电解质闪烧点。以石墨含量5wt%的电解质粉体为研究对象,在室温获得致密电解质材料。一方面,通过室温下热-电的失控行为耦合形成一定的初始温度,同时诱发石墨氧化释放热量,二者的协同机制引发SDC在室温条件下发生闪烧现象。TG-DSC结果表明,空气气氛下600-800℃发生石墨的氧化放热过程,不会对SDC的后期致密化过程造成影响。
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