8YSZ陶瓷在模拟压水堆水环境中的耐腐蚀性能

8%(摩尔分数)Y_(2)O_(3)稳定ZrO_(2)(8YSZ)陶瓷具有优异的氧离子电导率和低热导率,在燃料电池、热障涂层、隔热等领域都有重要应用。然而它作为压水堆的堆内隔热或结构材料,在事故条件下的水腐蚀机制和耐腐蚀性能目前尚不明晰。本研究在350℃/17.4 MPa,0.3μg/L溶解氧(DO)的动水循环模拟压水堆水环境中,系统考察了8YSZ陶瓷的质量、物相、显微结构、力学性能以及溶液成分随腐蚀时间的变化,并探讨了腐蚀机制。研究发现8YSZ陶瓷的质量随腐蚀时间的延长先增大后减小,并会受表面粗糙度的影响。增重归因于水分子进入陶瓷后形成了Zr–OH和Y–OH团簇,而失重是由金属阳离子析出和晶粒溶解所导致的。物相分析显示立方结构的8YSZ腐蚀后未往四方相或单斜相转变,这与四方相或部分稳定的氧化锆的相变失效不同。表面及断面形貌变化显示水分子可沿缺陷或微裂纹进入陶瓷内部,破坏晶界,使受腐蚀影响区域由穿晶断裂变为沿晶断裂。腐蚀前后8YSZ陶瓷的压缩强度和抗弯强度未明显改变,而维氏硬度略有降低,这与陶瓷表层形成的大量腐蚀坑有关。表面抛光样品腐蚀1050 h时的单位表面积的质量变化率为–0.108×10^(–3)mg·cm^(–2)·h^(–1),腐蚀坑深度仅为30.8μm。这些结果表明8YSZ陶瓷具有优良的耐水腐蚀性能,有望用于压水堆内的隔热或结构材料。

不同制备工艺参数对PS-PVD-8YSZ涂层微结构及性能的影响

作为新型热障涂层工艺制备技术,等离子物理气相沉积(PS-PVD)射流具有高能高速等特性,涂层沉积时存在扰流作用导致涂层微结构及性能的显著影响。为了减少圆柱体工装扰流作用,掌握工艺参数对涂层微结构的基本影响规律,采用平面工装系统研究不同PS-PVD工艺参数下,如喷涂电流、送粉量、喷枪摆动及样品旋转参数等对涂层微结构的影响规律。研究结果表明:送粉量和喷枪-样品相对运动参数对涂层微结构影响较大,可快速实现涂层微结构的调控;喷涂电流的变化通过柱状晶尺寸和冷凝纳米颗粒含量等方面影响涂层微结构,涂层显微硬度随喷涂电流增大而降低;喷涂沉积距离的影响较小,喷涂距离增大使沉积效率和柱状晶发散生长程度降低,冷凝纳米颗粒含量提高,同时涂层显微硬度呈现先降低后升高的趋势。JL-11NP粉末表现出宽幅工艺范围内准柱状结构的获得能力,进一步掌握低沉积电流工艺条件下基于气-固-液三相复合沉积的影响规律。开展了低电流工艺参数条件下PS-PVD涂层的微结构调控及沉积机制研究,研究成果可为兼顾隔热和寿命、抗冲蚀的涂层性能结构优化及调控奠定良好基础。

8YSZ热障涂层结构设计与高温性能研究

采用大气等离子喷涂技术在钛合金表面制备了不同厚度的Ni CoCrAlY粘结层及8YSZ陶瓷层双层结构的热障涂层,然后利用XRD、SEM和高温性能实验等途径研究了涂层厚度对该系列涂层的物相、微观形貌、高温氧化、隔热性能及高温热冲刷力学性能的影响。结果表明:不同厚度的热障涂层都会呈现出典型的层状结构,且涂层表面存在着完全熔融态、半熔融态和未熔态等3种复杂状态。不同厚度的热障涂层都具有良好的高温抗氧化性、隔热效果和高温力学性能。陶瓷层越厚,涂层的高温抗氧化性和隔热效果越好,但钛合金基体的抗拉强度却有所下降。然而在高温工况下,陶瓷层越厚越能够有效地保障钛合金的力学性能。

阳极对YSZ薄膜SOFC性能的影响

研究了两种阳极对YSZ薄膜固体氧化物燃料电池(SOFC)性能的影响。NiO-YSZ阳极和NiO-SDC-YSZ阳极支撑的YSZ薄膜电池,在800℃时的开路电压分别为1.09 V和0.87 V,最大功率密度分别为0.86 W/cm2和0.16 W/cm2。NiO-SDC-YSZ阳极电池的电极总阻抗比NiO-YSZ阳极电池的高出58%。

脉冲激光沉积法制备YSZ薄膜的导电机制

YSZ薄膜氧气传感器的微型化和高灵敏度是其未来的发展趋势,厘清氧离子在薄膜中的输运机制是提高氧气传感性能的关键。鉴于此,本研究采用脉冲激光沉积技术在单晶Si(100)衬底上制备了YSZ薄膜,并采用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱等技术研究了薄膜制备工艺对其成分、结构和导电特性的影响。研究结果显示YSZ薄膜结构呈多晶立方相,退火温度对YSZ薄膜的性质有显著的调控作用。一方面,高温退火使薄膜的平均晶粒尺寸显著增大,因而能大幅提高薄膜的电导率;另一方面,退火又调控了薄膜中的Zr、Y、O元素的含量比,且当O含量增加时,薄膜的电导率降低。此外,本研究还表明,YSZ薄膜经高温退火(T≥1073 K)后,呈现典型固体电解质的离子导电特性。进一步地,在313 K至873 K范围内,YSZ薄膜具有两个温度拐点,预示其存在三种导电机制。经计算,YSZ薄膜在高温段的激活能与文献报道相符。本研究对脉冲激光沉积制备特定需求的YSZ薄膜提供了一定的技术参数。

等离子喷涂YSZ热障涂层的工艺研究

目的优化大气等离子喷涂工艺,提高热障涂层的耐腐蚀性能与热循环寿命。方法设计正交试验,制备出不同工艺参数的YSZ涂层。用共聚焦显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪对涂层的表面粗糙度、表面与截面形貌、元素组成与分布进行表征,用ImageJ软件分析涂层的孔隙。根据试验数据优化工艺参数,对比分析工艺优化前后涂层的耐腐蚀性与热循环寿命。对涂层进行热震水淬试验,分析涂层的热震寿命与失效行为。结果不同工艺下制备的涂层在孔隙、耐熔盐腐蚀与热循环寿命方面存在明显差异,工艺参数W3X3Y1Z3组合为优化出的喷涂工艺。采用优化后工艺所制备的涂层TBC-1,孔隙率为9.65%,平均孔隙尺寸为6.18μm^(2),未观察到明显的大孔与裂纹。涂层表面粗糙度为3.48μm,粉末熔化状态较好。热腐蚀之后,涂层截面熔盐元素V的质量分数为2.03%,无熔盐积聚现象。涂层经20次热腐蚀与热冲击联合试验后,质量损失率为0.25%,表面完整,无明显剥落。TBC-1在热震试验中的失效形式为涂层大面积剥落,失效次数为172次。结论等离子喷涂的工艺参数对涂层的综合性能有重要影响,涂层中较大的裂纹和孔隙可作为熔盐的渗透途径,加速涂层的腐蚀,同时使热循环寿命变差。经优化后工艺制备的涂层,内部孔隙分布均匀,且平均孔隙尺寸较小,表现出良好的耐腐蚀性与热循环寿命。涂层中热生长氧化物(TGO)的生长应力、陶瓷层与黏结层的热失配应力是涂层中裂纹扩展和涂层失效的重要原因。

高比表面积3YSZ粉体注射成型工艺参数优化及制品力学性能

为解决高比表面积的3YSZ陶瓷粉末难以应用于注射成型工艺的问题,以比表面积为18 m^(2)/g的3YSZ陶瓷粉末为原料,以生坯质量为正交试验的评价标准,优化得到了最优注射参数,并对烧结制品的力学性能进行了研究。结果表明:参数影响力的顺序为注射压力>保压时间>注射速度>注射温度,适用于该粉体的最优注射参数为注射温度165℃,注射压力110 kg,注射速度为85 g/s,在70 kg下保压1 s。将使用该工艺得到的生坯脱脂后,于1350℃下烧结即可得到相对密度为98.5%,维氏硬度为13.42 GPa,断裂韧性为6.47 MPa·m^(1/2)的四方多晶氧化锆陶瓷。

Gd-Sc(Yb)-YSZ陶瓷涂层的隔热性能及抗CMAS热腐蚀性能研究

采用两步水热法制备了组成分别为Zr_(0.87)Y_(0.07)Gd_(0.02)Sc_(0.04)O_(1.94)(Gd-Sc-YSZ)和Zr_(0.87)Y_(0.08)Gd_(0.03)Yb_(0.02)O_(1.94)(Gd-Yb-YSZ)的两种含有半空心球的陶瓷粉末。将上述陶瓷粉末造粒并通过大气等离子喷涂在渗铝涂层表面分别制备两种陶瓷层,组成了陶瓷层/渗铝层/NiCrAlY/DZ40M热障涂层,并分别测试了这两种热障涂层和传统YSZ涂层在热源温度1050℃和1400℃下的隔热温度及在1250℃下的抗CMAS热腐蚀性能。结果表明:Gd-Yb-YSZ和Gd-Sc-YSZ两种涂层在1400℃保温6h后其表面完好且没有脱落,两种涂层主要由亚稳四方相(t'-ZrO_(2))组成,这说明这两种涂层均有望在1400℃长期使用,在此高温条件下渗铝层对陶瓷层在NiCrAlY合金表面的黏结稳定性具有关键作用。在1050℃和1400℃热源条件下,相比于YSZ涂层,Gd-Yb-YSZ、Gd-Sc-YSZ涂层的隔热温度更高,且其热导率仅为YSZ涂层的0.35~0.5倍,即通过掺杂Gd、Yb、Sc,YSZ涂层的隔热效果显著提升。YSZ涂层经历1250℃的CMAS热腐蚀1h后发生边缘脱落,Gd-Yb-YSZ涂层在6h后仅中央变粗糙,而Gd-Sc-YSZ涂层6h后仍完好无损。Gd-Sc-YSZ和Gd-Yb-YSZ涂层的抗CMAS热腐蚀性能远优于YSZ涂层,特别是Gd-Sc-YSZ涂层。

粉体制备工艺对Gd、Yb改性YSZ热障涂层性能的影响

随着航空航天技术的快速发展,飞行器热端部件的服役温度越来越高,YSZ热障涂层已经无法满足目前航空发动机热端部件的服役需求,稀土元素钆(Gd)与镱(Yb)对YSZ进行掺杂得到的Gd_(2)O_(3)-Yb_(2)O_(3)-Y_(2)O_(3)共稳定氧化锆(GYYZO)被广泛认为在超高温工况下具有广阔的应用前景。采用固相反应法与化学沉淀法分别制备了两种球形GYYZO粉末,并采用大气等离子喷涂法制备了两种GYYZO陶瓷热障涂层,研究了粉末制备工艺对粉体结构以及涂层结构与性能的影响。结果表明,在相同喷涂参数下,基于化学共沉淀合成GYYZO粉体制备涂层顶层孔隙率更高,该涂层比固相反应合成GYYZO粉体制备的涂层具有更好的抗热震性能。

可用于氧气传感器的新型高离子电导YSZ薄膜制备方法

基于微机电系统的氧化钇稳定氧化锆(YSZ)薄膜氧气传感器因其小型化、集成化优势而成为新一代氧气传感器的最佳技术路线.集成化小型化的关键在于获取工作温度低,离子电导率高的YSZ薄膜.本工作探究了脉冲激光沉积技术在降低YSZ薄膜工作温度和提高其离子电导率方面的应用;通过在高真空下采用脉冲激光沉积技术,多次沉积与原位氧退火交替实施获取了厚度约为200 nm的YSZ薄膜,分析了沉积与退火温度对薄膜结构、成分、电学性能和氧气气敏性能的影响.此外,本文还验证了氧离子在氧空位中传输是薄膜的主要传导机制,且具有较低的氧离子激活能0.227 eV,最后进行了氧气敏感测试.结果表明:采用PLD法可将YSZ薄膜的工作温度从1073 K降低至873 K,这为基于MEMS的微型YSZ薄膜氧气传感器的研发进行了有效探索.

复合多孔YSZ陶瓷隔膜在水系锌离子电池中的应用

水系锌离子电池因其优秀的安全性和较高的容量密度而受到了大量的关注,但水溶液中易快速生长的树突状锌枝晶对水系锌电池的发展构成了明显的阻碍。传统玻纤隔膜因结构稳定性较差而易受枝晶穿透。为此,通过多孔陶瓷制备工艺烧制获得了主要孔径尺寸在6μm左右、孔隙率达45.8887%的多孔YSZ陶瓷片。多孔YSZ陶瓷稳定的孔隙结构有效提升了电池的循环寿命,实验中基于多孔YSZ隔膜的水系锌离子电池在1 mA·cm^(-2)的电流密度下保持了763 h的稳定循环。同时,尝试使用界面修饰的方法对陶瓷隔膜进行改进,最终发现使用单侧覆碳称量纸作为陶瓷隔膜与电极间的修饰层能进一步提升电池的循环时长,复合陶瓷隔膜对称电池在同等电流密度下的循环时间达到了1016h。稳定的陶瓷孔隙与极低的电子导通性有效减缓了锌枝晶的生长速度,而牢固且导电的界面修饰层起到了均匀界面电场分布的作用,因此复合陶瓷隔膜表现出了优秀的水系离子电池稳定性能。

喷距对大气等离子喷涂8YSZ热障涂层组织结构及性能的影响

利用大气等离子喷涂技术制备了8YSZ热障涂层,并系统探讨了不同喷涂距离对涂层微观结构和性能的影响。对涂层物相及微观结构进行表征,并进行隔热温度测量和热循环寿命测试。结果表明,在80~140 mm的喷距范围内,8YSZ涂层中ZrO_(2)主要以具有较高稳定性的t′相形式存在。厚度与孔隙率呈负相关,低于100 mm喷距时涂层孔隙率逐渐增加,在100 mm喷距处达到16.6%,随后降低到10%左右。高孔隙率和大孔隙尺寸能提升涂层的隔热性能,但是会缩短涂层的热循环寿命,100 mm喷距下隔热温度达到0.534 K/μm,热循环寿命只有231次。结果表明,喷涂距离对8YSZ热障涂层的组织结构和性能的影响具有一定的规律性,因此可以作为调整涂层结构和性能的有效手段。

等离子喷涂Cr_(2)O_(3)/8YSZ复合涂层微观组织及抗热冲击性能研究

为了探究Cr_(2)O_(3)/8YSZ复合涂层高温性能,利用等离子喷涂技术在Q235钢表面制备了4种不同混合比例的Cr_(2)O_(3)/8YSZ复合涂层(8YSZ含量分别为50%,30%,20%,0%)。通过热场发射扫描电镜对涂层的形貌进行SEM表征并对涂层的截面元素分布进行EDS线扫,采用X射线衍射仪分析复合涂层的物相组成,利用表面轮廓仪测量了复合涂层的表面粗糙度,使用全自动显微维氏硬度计对涂层的显微硬度进行测量,采用划痕仪对涂层的抗划伤性能进行对比,利用Gleeble-3800热物理实验模拟机对涂层的抗热冲击性能进行测试,并对热冲击之后的截面形貌进行观察分析。结果表明,当Cr_(2)O_(3)与8YSZ比例为7∶3时,由于8YSZ对垂直裂纹的偏转作用以及涂层内部存在的孔隙和裂纹对热应力的释放作用,该样本涂层具有较好的抗热冲击性能。

莫来石晶须增强Al_(2)O_(3)-8YSZ陶瓷涂层的制备和性能

莫来石晶须(3Al_(2)O_(3)·2SiO_(2))由于结晶完美,具有良好的性能,如低的热膨胀和导热性,较高的热稳定性,高的抗蠕变和腐蚀稳定性,以及合适的强度和断裂韧性,使其成为需要耐高温和耐腐蚀性能应用的合适材料.探讨晶须增强Al_(2)O_(3)-8YSZ陶瓷涂层的制备和性能.通过莫来石晶须的增韧作用,提高了陶瓷涂层的硬度,对陶瓷涂层的结构具有明显的改善.

LaFeO_(3)/8YSZ复合涂层热物理参数测试及应力场分析

大气等离子喷涂工艺制备的热障隐身一体化涂层材料在航空发动机热端部件上有着重要的应用前景。针对LaFeO_(3)/8YSZ复合涂层大气等离子喷涂工艺参数优化问题,首先制备了纯LaFeO_(3)涂层,并完成了1150℃下涂层热物理参数高温表征;建立了LaFeO_(3)/8YSZ复合涂层有限元模型,重点分析了制备温度和涂层厚度比对样品残余应力的影响。结果表明:随着制备温度的升高,LaFeO_(3)和8YSZ涂层的面内压应力逐渐增大;LaFeO_(3)涂层面内应力从150℃时的-96 MPa变化到250℃时的-152 MPa,类似地,8YSZ涂层面内应力从-48 MPa增大到-86 MPa;压应力状态有利于延长涂层在高温服役环境下的使用寿命。由于LaFeO_(3)的热膨胀系数与8YSZ接近,在给定涂层总厚度为1.0 mm的条件下,LaFeO_(3)/8YSZ厚度比的变化对双层涂层的残余应力的影响不大。

沉淀法合成NiO及NiO-YSZ阳极性能

用硝酸盐-氨水沉淀法合成了NiO纳米粉体,X-射线粉末衍射结果表明样品为面心立方结构,颗粒的平均粒径为23nm。以此纳米NiO为原料,制备NiO-YSZ阳极,阳极的高温烧结收缩比YSZ电解质小6%。高温H2还原电阻测量表明该阳极在700℃时10min完成还原,电导率为570S/cm。在NiO-YSZ阳极上用离心沉积方法制备了一层厚12μmYSZ薄膜,扫描电子显微镜测试结果表明阳极和电解质薄膜之间的接触良好。采用Sm0.2Ce0.8O1.9浸渍的La0.7Sr0.3MnO3阴极,单电池在750℃时的最大比功率为0.52W/cm2,测试结果还表明该阳极具有合理的孔隙率:说明采用硝酸盐-氨水沉淀法合成的NiO可以应用于制备固体氧化物燃料电池的阳极。

基于NCO-YSZ半导体-离子导体复合电解质导电率探究

导电率作为验证材料属性的关键步骤,具有十分关键的作用,如助力研究人员了解材料导电性能的同时反映材料内部的结构和缺陷,继而让其更好地对材料进行评估或更有针对性地应用。在此基础上,将研究复合离子导体YSZ与P型半导体Na_(x)CoO_(2),所得到NCO-YSZ半导体-离子导体复合电解质的导电率,为对相关人员降低YSZ基SOFC的操作温度,增加中低温区离子传导率,提供一定思路。

YSZ-Al_(2)O_(3)基陶瓷膜片的制备及性能研究

YSZ-Al_(2)O_(3)基陶瓷是一种高灵敏度柴油车用氮氧传感器陶瓷芯片,属于气敏陶瓷制造技术领域。采用传统水基流延及HTCC高温多层共烧方法制备了氮氧传感器陶瓷芯片,并且研究了Al_(2)O_(3)对YSZ陶瓷的相结构、电性能等影响。本文主要研究了氮氧传感器的YSZ基陶瓷芯片,并且主要对加热器绝缘层上下的陶瓷的YSZ-Al_(2)O_(3)基体材料进行了制备研究,包括材料表征,绝缘性、电性能等。随着Al_(2)O_(3)的加入,能够得到致密的YSZ基体陶瓷材料,同时研究了随着Al_(2)O_(3)掺杂量的变化,对其绝缘层陶瓷导电性即绝缘性的影响,最终制备出绝缘性良好的YSZ-Al_(2)O_(3)陶瓷材料,其中上过渡层的主体材料中Al_(2)O_(3)的掺杂量为15%~25%,中间过渡层的主体材料中Al_(2)O_(3)的掺杂量为40%~55%,下过渡层的主体材料中Al_(2)O_(3)的掺杂量为75%~85%。本文膜片之间的烧结匹配性良好,明显提高了加热器层的绝缘性能,无漏电现象,最终获得了芯片输出电流信号IP0值稳定状态的氮氧传感器芯片。

Pt/YSZ电极结构形貌的表征

根据YSZ型氧传感器中O在电极表面的吸附、扩散以及Pt/YSZ界面O(Pt电极中)/O2(YSZ中)的传递的机理,提出了一种对Pt /YSZ电极界面进行定量表征的模型。用此模型对不同烧结温度下的电极形貌Pt/空气/ YSZ三相界面长度进行了定量表征,同时,采用复阻抗测试技术和氧传感器响应测试技术对表征结果的合理性进行了验证。理论推算和试验结果都表明:采用1 000℃,1 h烧结的电极形貌具有最佳的电化学性能。

SOFC电解质薄膜YSZ制备技术

综述了固体氧化物燃料电池 (SOFC)电解质薄膜YSZ的制备方法 ,通过EPD、APS、VPS、EVD、Sol Gel和流延、轧膜、丝网印刷等方法都可以制备YSZ薄膜。从成膜质量上比较 ,APS、VPS、EVD等方法制得的YSZ薄膜气密性好 ;从生产成本上分析 ,由高到低依次是VPS、APS、EVD、Sol Gel和流延、轧膜、丝网印刷等陶瓷成膜方法。目前 ,制备YSZ电解质薄膜使用较多的是APS、EVD ,最适合大工业化生产、成本低廉的是陶瓷薄膜成型方法 。