纳米复合氧化锆镍系列金属陶瓷的制备及性能研究

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1、摘要YSZ-Ni(镍．氧化钇稳定的氧化锆)金属陶瓷可以应用于固体氧化物燃料电池(SOFC)和功能梯度材料(FGM)中。固体氧化物燃料电池以其能量转化率高、环境友好、燃料适应性强和寿命长等优点，受到广泛的重视。SOFC材料主要包括固体电解质材料、阳极材料和阴极材料三大类。SOFC对其阳极材料的基本要求是：高的电子电导率、多孔结构及与其它组分相匹配的热膨胀系数。目前，SOFC中常用YSZ-Ni金属陶瓷作为其阳极材料。由于Zr02与金属Ni在真空中润湿角为117。，为不完全润湿。所以研究如何改善金属润湿性对制备高性能YSZ-Ni金属陶瓷复合材料有着重要的意义。与传统的用YSZ

2、粉末和NiO粉末混和、压块烧结、还原制备YSZ—Ni金属陶瓷不同，本文采用一种新的络合一凝胶法。方法如下：将镍盐、锆盐、稳定剂和水溶剂按所需成分配成混和溶液，再将混和溶液、外加剂按比例混和形成溶胶，溶胶经干燥成为凝胶，凝胶经预烧得到YSZ-NiO氧化物纳米粉末，将该氧化物粉末还原得到YSZ-Ni纳米复合粉末。络合．凝胶法克服了其它制备方法中金属相和陶瓷相分布不均、工艺难以控制的缺点。该法具有原料易得、无污染、化学成分和相组分易控制、工艺简捷、性价比高等优点。本论文工作通过制备含cr、V、Mo、Ti金属元素或其碳化物的YSZ．Ni复合材料，探索金属元素或其碳化物对金属陶瓷

3、性能与对金属．陶瓷润湿性的影响。用XRD研究了YSZ-Ni系列金属陶瓷粉末的相结构，制得的粉术中的Zr02均为四方相：这是因为反应中生成的少量Y203进入到Zr02的晶格间隙，起到了稳定Zr02的作用。用x射线小角衍射测试了YSZ．Ni、YSZ—Ni—Cr和YSZ—Ni．V复合粉末的晶粒度，结果表明：它们的晶粒平均粒径分别为72．3nm、63．4nm和42．2mn。用SEM观察了所制备的YSZ-Ni系列金属陶瓷的断面形貌，结果表明：金属Cr和v的引入对金属相和YSZ基体的润湿起到了改善的作用，而引入金属Mo对YSZ-Ni的润湿性没有起到改善作用；热压烧结后YSZ．Ni系

4、列金属陶瓷的晶粒大小和分布十分均匀，晶界清晰，粒度在0．3I_tm左右。用四探针法测量了样品从室温到800"O的电导率，结果表明：所有样品的导电机制均为混和电导。关键词：氧化锆一镍金属陶瓷润湿复合粉术复合材料ABSTRACTYSZ-Ni(nickel—yttriastabilizedzirconi曲cermetshavebeenwidelyusedinthesolidoxidefuelcells(SOFC)andfunctionallygradientmaterials(FGM)areas．Solidoxidefuelcellsareelectrochemicalene

5、rgyconversiondevicewithhighefficiency,lowpollutionandenvironmentalfriendship．SOFCismainlycomposedofthreeparts：electrolyte．anodeandcathode．Theprimerequirementsforanodematerialsaregoodelectricalproperties，apoly—holemicrostructureandcompatibilitywithotherfuelcellcomponents．Atpresent．YSZ—Nie

6、ermetsareusuallyusedasanodeofSOFC．Zr02andmetalNishownowettabilityinvacuumwithacontactangleof17。．AndhowtoimprovethewettingofceramicsbyliquidmetalshasgreatsignificancetothepreparationofhighperformanceYSZ-Nicermets．DifferentfromthegeneralmethodofpreparingZr02-Nicermetsinwhichzr02andNiOpowde

7、raremixedtogetheLpressed，sinteredandreduced，weadoptanovelcoordination—gelmethodtoprepareZr02-Ninanocrystallinecompositepowderinthisstudy，111epreparingprocessisasfollow：mixingthenickelsalt，zirconiumsaltandstabilizerinthesolvent(distilledwater)topreparemixingsolutionaccordi