烧结温度对陶瓷体氧化铝固体电解质性能的影响

在Al2O3电解质体系中,利用X射线衍射分析仪、扫描电子显微镜和交流阻抗谱仪考察了烧结温度对陶瓷体Al2O3固体电解质(BASE)的β″/β相的形成、体密度和离子电导率的影响。研究表明:固相法合成BASE时,陶瓷体的最佳的陶瓷烧结温度为1 600℃。离子电导率、β″含量、体积密度随烧结温度的升高先上升后下降。离子电导率不仅与相结构有关,还与材料的致密性有关。导电过程在温度升高过程中,会由晶界控制转变为晶粒控制。随着烧结温度的升高,晶界控制的温度范围逐渐减小。     

Li_2O和MgO稳定的β″-Al_2O_3

研究了Li_2O、MgO和Li_2O+MgO等添加剂对β″-Al_2O_3的形成、显微结构以及电性能的影响,与MgO相比,Li_2O更有利于β″-Al_2O_3的形成,因而有较高的电导率,但也较易促进晶粒长大。混合添加剂的效应随组成不同而异。过量的添加剂由于沉积在晶界,增加晶界电阻率,从而产生不利影响。     

纳米η-Al_2O_3的烧结行为研究

为探讨纳米η-Al_2O_3的烧结行为,以纳米η-Al_2O_3为原料,聚乙烯醇为结合剂,经造粒、烧结制备刚玉试样。研究了不同烧结温度(1 550、1 600、1 650和1 700℃)和不同保温时间(0. 5、1、1. 5、2、4和6 h)对试样性能和显微结构的影响,并计算了烧结激活能。结果表明:纳米η-Al_2O_3在1 650℃保温6 h烧结,得到了体积密度为3. 74 g·cm-3、显气孔率为1. 77%的致密烧结刚玉;纳米η-Al_2O_3在1 550～1 650℃的烧结激活能为278. 01kJ·mol-1,而较低的烧结激活能有利于烧结进行;低温烧结制备的刚玉中没有晶体异常长大现象,晶粒之间结合紧密,以穿晶断裂为主,晶间气孔少,晶粒尺寸在3. 5～7. 5μm。     

一维薄水铝石制备高Na-β″-Al2O3相相含量电解质材料

以水热合成的一维γ-AlOOH为原料,采用固相反应法制备了具有高Na-β"-Al_2O_3相相含量的电解质材料,研究了前驱体形貌及烧结制度对Na-β"-Al_2O_3材料的影响。结果表明:γ-AlOOH经预烧后的产物形貌为一维棒状形貌,良好的拓扑继承γ-AlOOH前驱体的一维形貌,经高温固相反应形成Na-β"-Al_2O_3相后无法进一步继承前驱体的一维结构,得到具有层片状结构的Na-β"-Al_2O_3材料。预烧可以提高β"-Al_2O_3相含量,当预烧温度为1 100℃时,β"-Al_2O_3相含量达95.7%,300℃时的电导率为0.017 S?cm~(–1)。     

β-Si_3N_4陶瓷复合材料烧结影响因素的分析

由前期研究可知,Si_3N_4-Al_2O_3-Y_2O_3-Al体系在B氧分压条件烧成,即氧分压为0.002MPa时,试样烧结良好。笔者就该体系中影响烧结的主要因素进行研究,探讨了氧化铝的加入量、氧化钇加入量、纳米氧化铝及其加入量、金属Al粉的加入量以及烧结温度等因素对材料烧结性能和显微结构的影响。试验结果表明:烧结温度越高,试样的性能越好。当烧结温度为1650℃,体积密度为3.14g/cm~3,显气孔率为0.7%,常温耐压强度为470MPa时,试样实现了致密烧结。     

低成本固相法合成Na–β"-Al_2O_3固体电解质陶瓷

以工业氧化铝为原料,采用低成本埋烧工艺,用传统固相法制备Na–β"-Al_2O_3相相对含量高的固体电解质陶瓷材料。采用综合热分析仪、X射线衍射以及扫描电子显微镜对样品进行表征,采用交流阻抗法测试了样品的电导率。结果表明:β"-Al_2O_3相的相对含量与配方Na_(1.67(1+x))Li_(0.33)Al_(10.67)O_(17)中的Na含量和合成温度密切相关,陶瓷在x=0.15、烧结温度为1 580℃时,β"-Al_2O_3相的相对含量最高,达97.19%,此时陶瓷的微观结构较致密,300℃的电导率为0.028 S/cm、电导活化能为0.259 eV。该方法制备工艺简单、适合工业大规模生产。     

烧结工艺对电容式高温压力传感器用氧化铝陶瓷基片的影响

为了研究不同烧结工艺对电容式高温压力传感器用氧化铝陶瓷基片的影响,以纳米α-Al_2O_3为主要原料,加入ZrO_2、MgO和Y_2O_3等粉料作为烧结助剂,采用流延成型、等静压成型和气氛保护无压烧结技术制备了氧化铝陶瓷基片。分别对试样的相对密度、抗弯强度、硬度及断裂韧性进行测试,并利用扫描电镜(SEM)观察其显微组织形貌。结果表明:陶瓷基片的烧结不宜接触O_2,因此在烧结过程中应选用流动高纯N_2对其进行气氛保护。为防止试样烧结后变形翘曲,基片在装载时应适度施加压盖,提高平整度。此陶瓷基片的理想烧结温度约为1550℃,对应试样的相对密度、抗弯强度、硬度及断裂韧性数值分别达到了98.8%、766 MPa、17.2 GPa及4.2 MPa·m~(1/2)。1550℃烧结试样显微组织呈现韧窝状,该结构有助于提高陶瓷基体的致密度及强韧化程度。     

烧结和退火对β″-Al_2O_3的钠离子电导率和显微结构的影响

通过Li_2O稳定、原始化学组成(wt％)为9.6％Na_2O,0.72％Li_2O和89.68％Al_2O_3的β″-Al_2O_3陶瓷的制备过程,研究了升温速率与陶瓷致密化的关系;并探讨了烧成和退火制度对所制得的β″-Al_2O_3陶瓷的钠离子电导率和显微结构的影响。在快速升温和1600℃烧结5min以后,在低于1510℃的温度下再经过适当时间的退火,可以获得相对密度>98％,晶粒尺寸在20～30μm的均匀显微结构的烧结体。其β″-Al_2O_3相几近100％,Na~+离子电阻率约为6.5Ω·cm(350℃);在275～420℃的温度范围内,Na~+离子的电导活化能为5.63kcal/mol。     

La_2O_3掺杂对Na-β″(β)-Al_2O_3固体电解质电导率的影响

以分析纯Al_2O_3、Na2CO3、Li2CO3为原料,加入少量La_2O_3,采用无压埋烧方式,制备Na-β″(β)-Al_2O_3固体电解质。通过XRD、SEM、DH7000型电化学工作站等表征测试手段,研究La_2O_3添加量对电解质相组成、微观结构、电导率、活化能的影响。结果表明,适量的La_2O_3掺杂可以起到促进β"-Al_2O_3相晶体发育、改善材料的微观形貌、提高固体电解质材料的电导率的作用;当La_2O_3掺杂量为0.5 wt%时,样品的电导率最高,300℃下的电导率从未掺杂样品的0.0152 S·cm~(-1)提高到0.0235 S·cm~(-1),电导活化能由未掺杂样品的0.1481 eV降低至0.1213 eV。     

MgO掺杂钠β氧化铝的电子电导

应用Wagner极化法,测量了掺杂2.5wt％MgO的钠β氧化铝固体电解质的电子电导。实验使用电池为:Na|Na~+-β-Al_2O_3|S+C。在高于钠-硫(富硫成分)的开路电压及低于β氧化铝分解电压的测量电压下,获得125～350℃电子电导率σ_e和温度T的关系式为:σ_e=2.455×10~(-2)exp(-6401/T)。     

冷烧结工艺制备石榴石固态电解质及其性能

以LiNO_3、Al(NO_3)_3·9H_2O、La(NO_3)3·6H_2O、Zr O(NO_3)_2·5H_2O为原料,采用溶胶-凝胶法制备了Li_(5.95)Al_(0.35)La_3Zr_2O_(12)粉体,随后加入聚乙烯醇(PVA)水溶液作为液相介质,通过冷烧结工艺制备了Li_(5.95)Al_(0.35)La_3Zr_2O_(12)石榴石固态电解质。冷烧结工艺后采用后续热处理改善离子传导性能。采用质量体积法和电化学阻抗谱对Li_(5.95)Al_(0.35)La_3Zr_2O_(12)石榴石固态电解质的体积密度和离子电导率进行了测试,采用XRD与SEM进行晶体结构与形貌表征。结果表明,冷烧结时间和压力对样品的晶体结构几乎没有影响。冷烧结时间过长会导致样品开裂,在15～30min时,冷烧结时间对样品的体积密度和离子电导率影响不大,在烧结时间较短的样品中发现了杂相。提高冷烧结压力可明显提高样品的体积密度和离子电导率,在200℃、510 MPa、30 min的冷烧结条件下可以获得具有较高离子电导率(2.66×10~(–6)S/cm)的Li_(5.95)Al_(0.35)La_3Zr_2O_(12)石榴石固态电解质,其晶界电阻较小。但继续增加冷烧结压力,导致热处理过程中第二相的分解和晶粒生长受到抑制,样品的体积密度和离子电导率反而下降。     

石榴石固态电解质的冷烧结工艺制备及性能

以LiNO3、Al(NO3)3·9H2O、La(NO3)3·6H2O、ZrO(NO3)2·5H2O为原料,采用溶胶-凝胶法制备Li5.95Al0.35La3Zr2O12粉体,随后加入聚乙烯醇（PVA）水溶液作为液相介质,通过冷烧结工艺制备Li5.95Al0.35La3Zr2O12石榴石固态电解质。冷烧结工艺后采用后续热处理改善离子传导性能。采用质量体积法和电化学阻抗谱对Li5.95Al0.35La3Zr2O12石榴石固态电解质的体积密度和离子电导率进行了测试,采用XRD与SEM进行晶体结构与形貌表征。结果表明,冷烧结时间和压力对样品的晶体结构几乎没有影响。冷烧结时间过长会导致样品开裂,在15~30 min时,冷烧结时间对样品的致密性和电导率影响不大,在烧结时间较短的样品中发现了杂相。提高冷烧结压力可明显提高样品的致密性和电导率,在200℃、510 MPa、30 min的冷烧结条件下可以获得具有较高离子电导率（2.66×10-6 S/cm）的Li5.95Al0.35La3Zr2O12石榴石固态电解质,此时材料的晶界电阻较小。但继续增加冷烧结压力,由于热处理过程中第二相的分解和晶粒生长受到抑制,样品的致密性和电导率反而下降。     

MgO对快速烧结制备氧化铝透明陶瓷光学性能的影响

采用真空快速烧结制备氧化铝透明陶瓷,研究了添加剂MgO对氧化铝透明陶瓷烧结致密化及透光性能的影响.研究表明,添加剂MgO以富Mg的纳米颗粒在晶界区的钉扎作用有效地抑制了晶粒长大,同时短时烧结在动力学上也抑制了晶粒的长大.通过对材料透光性能的分析,基于Rayleigh-Gans-Debye光散射模型提出了理论气孔率Pt、等效气孔率Pe的概念,用以定量分析添加剂MgO对多晶氧化铝透明陶瓷透光性能的影响.拟合结果显示等效气孔率Pe与MgO添加量满足二次多项式函数关系.当MgO添加量为0.075wt％时,理论气孔率最低,等效气孔率适中,透光性能最好.     

烧结温度和TiO_2掺杂量对氧化铝基微波陶瓷性能的影响

选用Mg O–Cu O–TiO_2添加剂作为氧化铝陶瓷的烧结助剂,在空气气氛下经过常压烧结制备氧化铝(Al_2O_3)陶瓷。研究了TiO_2掺杂量和烧结温度对氧化铝陶瓷材料微观结构、相组成和介电性能的影响。结果表明:掺杂适量的TiO_2有利于Al_2O_3陶瓷晶粒生长以及致密化。随着TiO_2添加量的增加,烧结体致密度、介电常数和Q·f值都呈现先升高后降低趋势,随着温度的升高,Al_2O_3陶瓷样品致密度也呈先升高后降低趋势。当烧结温度为1 500℃、TiO_2掺杂量为0.8%(质量分数)时,Al_2O_3陶瓷样品的综合性能良好:相对密度为97.89%,介电常数为9.89,品质因数Q·f为38 028 GHz。     

Al稳定立方相Li_7La_3Zr_2O_(12)固态电解质的场助烧结制备

石榴石型结构的固态电解质Li_7La_3Zr-2O_(12)(LLZO)因其良好的力学性能、化学稳定性、高离子电导率等特点有着广阔的应用前景。Li_7La_3Zr-2O_(12)(LLZO)具有四方相和立方相两相,其中立方相比四方相有更高的离子电导率(~10~(-3) S/cm)。本文利用场助烧结的制备方法,通过在Li_7La_3Zr-2O_(12)(LLZO)体系中掺杂Al~(3+)来稳定立方相的生成,制备了高离子电导、高致密的立方相Li_7La_3Zr-2O_(12)(LLZO)电解质,探究了Al~(3+)在立方相LLZO中的存在形式。实验采用FESEM、XRD、NMR和交流阻抗等方法研究了固体电解质的表面形貌、物相、Al~(3+)的存在形式及离子电导率。实验结果表明,在1150℃烧结温度下,Al2O3含量为1.5wt.%时,LLZO在室温下具有最高的离子电导率5.7×10~(-4) S/cm,Al位于LLZO晶粒中取代四面体中的Li,且相对密度约为99.8%。     

纳米ScSZ基电解质中低温导电性研究进展

固体氧化物燃料电池（SOFC）适用于多种燃料气体,高效清洁,是最有前景的燃料电池之一。氧化钪（Sc₂O₃）掺杂二氧化锆（ZrO₂）系列（ScSZ）使氧化锆基电解质表现出优异的离子导电性。ScSZ基电解质晶粒纳米化呈现出了很好的电学性能而得到广泛深入的研究。但是ScSZ基电解质在中低温下会发生相变,产生低导电性的菱形相而影响其离子电导率。系统总结了单元或二元氧化物掺杂ScSZ电解质在中低温下的物相、晶体结构及电导率。多元氧化物复合掺杂ScSZ可有效防止在中低温下发生相变、稳定立方相ScSZ。采用不同方法制备纳米ScSZ基电解质,可很好地提高电解质的电导率。提出了ScSZ系列在中低温范围内（600~800 ℃）的发展方向：优化掺杂成分和掺杂量提高晶粒晶界电导率,使用不同工艺制备纳米电解质或不同制备方法制备新型结构电解质材料。     

以TiO_2-MgO-MnO_2为烧结助剂挤压成形低温烧结α-Al_2O_3陶瓷膜支撑体

实验采用挤压成形工艺,通过加入TiO_2-MgO-MnO_2复相烧结助剂,在1 300℃烧结温度下采用固态粒子烧结法制备出单管式α-Al_2O_3陶瓷膜支撑体。研究了TiO_2-MgO-MnO_2复相烧结助剂对α-Al_2O_3陶瓷管支撑体性能的影响。在添加3%TiO_2和1.5%MnO_2的情况下,对比添加不同质量分数的MgO对α-Al_2O_3陶瓷管支撑体性能的影响。实验通过SEM、XRD、三点弯曲法、质量损失法、液体静力称重法、自制纯水通量测定装置等方法对α-Al_2O_3陶瓷管支撑体样品的微观形貌、物相组成、机械强度、抗酸碱性、孔隙率、纯水通量等性能进行分析表征。研究结果表明:该复相烧结助剂能有效促进氧化铝陶瓷烧结,在1 300℃下Al_2O_3+3%TiO_2+1.5%MnO_2+0.5%MgO体系烧结效果最好,晶体分布均匀,此时样品的抗折强度为77.63MPa,孔隙率为35.71%,纯水通量达到6 741.53L/m2·h·MPa,酸/碱腐蚀重量损失率为1.02%/0.99%。     

氮气保护下镁砂对Al–刚玉体系物相的影响

以烧结刚玉、α-Al_2O_3微粉、金属铝粉、高纯镁砂[加入量分别为3%(质量分数)、6%、15%]为原料,酚醛树脂为结合剂,制备Al–MgO–Al_2O_3系复合材料。样品成型后经过200℃烘干后在1 300℃氮气气氛下烧结。结果表明:添加金属铝粉后样品常规物理性能显著改善。样品中的主晶相为α-Al_2O_3和Mg Al_2O_4,有金属铝残留。镁砂对金属铝–烧结刚玉耐火材料物相组成影响大,当镁砂加入量为3%时形成Al_4O_4C相,镁砂加入量为6%或15%时,新相为Al_4C_3,未检测到Al_4O_4C相,镁砂添加量为15%时能检测到方镁石相。镁砂加入量大于或等于6%时,α-Al_2O_3颗粒或细粉表面形成的镁铝尖晶石包裹刚玉结构,将α-Al_2O_3表面包覆,阻断Al_4C_3与α-Al_2O_3反应生成Al_4O_4C。最后建立了该体系中新相形成机理的反应模型。     

燃烧法制备不同钆含量的GDC纳米粉体及其电导性

采用甘氨酸燃烧法制备GDC(Gd_2O_3掺杂的CeO_2)粉纳米体,研究了添加不同含量的Gd_2O_3(摩尔分数)对GDC烧结体的电性能的影响。结果表明:GDC纳米粉体的晶粒大小为30 nm左右,烧结性能良好,GDC纳米粉体的晶格常数随Gd_2O_3含量的增加而增大,3种GDC电解质在1 250℃烧结3 h后相对密度均超过97.0%。Gd_2O_3含量为15%的GDC电导率在低于700℃时最大,且氧离子活化能最小,迁移焓最小为0.593 e V。Gd_2O_3含量为10%的GDC电解质氧空位从团簇中解离成为自由氧空位的临界温度点为550℃,15%和20%的GDC临界温度点为600℃。     

高含量氧化铝陶瓷的掺杂-低温液相烧结

针对常规烧结制备高含量氧化铝陶瓷均存在烧成温度高的缺点,提出了以掺杂、低温液相烧结结合的方法制备高含量氧化铝陶瓷的方法,并研究了以该方法制备的95瓷微观结构与吸水率、弯曲强度。研究结果表明,掺杂-低温液相烧结的方法可在相同烧成温度下制备出比离子掺杂、低温液相烧结更致密的95瓷,且吸水率小,弯曲强度高于相同温度下采用掺杂和低温液相烧结制备的95瓷。