复合掺杂zro2固体电解质制备及其性能的研究

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1、AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsFortheDegreeofDoctorofEngineeringStudyonthepreparationofmulti-dopedzirconiasolidelectrolyteanditspropertiesCandidate:HuYonggangMajor:MaterialScienceSupervisor:Prof.XiaoJianzhongHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuha

2、n,Hubei,430074,P.R.ChinaAug.,2012独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

3、本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在________年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。(请在以上方框内打―√‖)学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要氧化锆固体电解质定氧探头在钢铁精炼中已经获得了广泛应用，但是在低氧（10ppm）条件下，传统氧化镁单一稳定的部分稳定氧化锆由于固体电解质电子电导的影响使其测量精度受到影响。另外，对固体电解质室温下单斜相（m）在升温过程中的相转变程度对

4、高温电导及抗热震性的影响规律的认识不足，前人对于定氧探头的研究思路较倾向于优先保证足够的抗热震性，却轻视了室温相向高温相转变程度对高温电导的影响。因此，本文试图通过多元复合掺杂，并结合热处理，在保证氧化锆高温离子电导的条件下，获得足够的抗热震性能。论文首先采用机械复合法制备多元掺杂氧化锆固体电解质，探讨了多元复合掺杂氧化锆陶瓷的无压烧结工艺，通过调整烧结工艺参数获得了相对密度较高，掺杂元素分布较均匀的复合掺杂固体电解质陶瓷材料。同时，通过对不同掺杂比例的试样进行烧结后热处理实验研究，发现复合掺杂材料中Y2O3含量对m相含量起主导作用。烧结

5、后的不同温度热处理可以改变复合掺杂材料的晶粒尺寸，经1150°C热处理后复合掺杂材料中颗粒长大最明显。Al2O3的加入形成尖晶石可以有效抑制复合掺杂材料颗粒的长大。热膨胀及抗热震性试验结果表明，在掺杂总量一定时Y2O3与MgO的相对比例越高，单斜相转变温度范围越窄，且起始转变温度越高，导致复合掺杂材料热震后的强度损失率越大。800-1000℃之间的收缩程度越大，强度损失率也越大。通过研究不同掺杂含量的烧结试样的电阻抗性能，发现复合稳定的氧化锆固体电解质的电性能并不是随着某一掺杂剂含量的升高而线性变化的。此结果与传统的单一稳定剂在全稳定范围

6、内电性能随稳定剂含量线性增长的规律有所差异。但对比Mg-PSZ在900℃时的总电导率，可以看出，复合稳定的PSZ电解质的总电导率要高一个数量级。对PSZ固体电解质不同温度交流阻抗谱拟合后发现，晶界电导活化能与总电导活化能的走势一致，说明晶界电导率对PSZ电解质电导率的影响占主要地位。并且I华中科技大学博士学位论文中高温下的晶界电导高于晶粒电导。在对等效拟合电路进行分析的基础上，得到材料内部组织结构随温度变化的演变趋势模型。通过对热膨胀性质及抗热震性、电性能的研究，并结合现有理论分析，建立了不同制备条件下得到的平均热膨胀系数与m相含量之间的

7、线性关系模型，将其作为原料选择及制定烧结工艺的参考依据；对m相含量进行量化、控制t相热膨胀系数与m相含量之间的关系，理论上可以得到抗热震性优良的固体电解质材料。同时，建立了t相含量与电导率之间的数值演化模型；发现材料体系高温下出现的热膨胀系数突变点，可以作为预测固体电解质电性能的一个重要指标。对两类模型各影响因素的分类分析，能够为固体电解质制备过程中的相比例的控制提供依据。关键词：氧化锆，固体电解质，抗热震性，阻抗，微观结构II华中科技大学博士学位论文AbstractTheoxygenprobeforironandsteelrefinin

8、ghasbeenusedextensively,buttraditionalMgO-singlestabledzirconiasolidelectrolyte,duetotheeffectof