一种LaMgAl₁₁O₁₉-8YSZ复相陶瓷及其制备方法

专利名称：一种LaMgAl₁₁O₁₉-8YSZ复相陶瓷及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种LaMgAl11O19-SYSZ复相陶瓷材料及其制备方法，属于复相陶瓷材 料的制备技术领域。
背景技术：
固体氧化物燃料电池(SOFC)与内燃机相比，具有能量转换效率高、产物无污染、 系统安全性高以及具有模块结构等优点，已成为研究的热点，是20世纪80年代迅速发展 起来的新型发电技术，被公认是21世纪的绿色能源，代表着将来新能源系统的发展趋势。 SOFC的核心部件是阳极、电解质和阴极，其中电解质起到将阴极生成的02_传递到阳极的作 用，是SOFC的关键部件，对电池性能有重要的影响。8YSZ(8mol% Y2O3稳定的&02)陶瓷具 有较高的离子电导率、低的电子迁移数、良好的化学稳定性以及与其它SOFC组件在热膨胀 系数上的匹配等性能，是目前研究和使用最多的SOFC电解质材料。但是8YSZ材料的力学 性能较3Y-TZP (3mol % Y2O3稳定的&02)材料力学性能差，极易在组装或工作的不同阶段受 外应力的作用而发生破碎，力学性能下降使SOFC极易在组装或运行时发生破碎，引起燃料 气体的交叉渗漏，降低电池的性能和效率，甚至导致电池操作失败。因此制备出具有良好力 学性能和电学性能的8YSZ电解质，已成为当前SOFC发展必须解决的问题之一。陶瓷材料一般可以通过添加刚性粒子、纤维、晶须或延性金属颗粒等第二相以达 到增韧的效果。MgO促进体系表面能和化学势下降，增强体系的烧结驱动力，引起的晶格畸 变活化晶格，具备良好的耐磨性和低温抗老化性能，缺点是抗高温老化性不好；Al2O3高弹 性模量增大相变约束力，能够阻止扩散和晶界迁移，减少晶粒长大，清除杂质晶界相解 决低温性能老化问题，提高材料的硬度、断裂韧度和横向断裂强度，但Al2O3使晶界间相互 连接，阻碍烧结的进行；SiO2与Al2O3的共同作用，产生液相活化烧结提高致密度但是电导 率稍有下降；Sm2O3低价的Sm3+引入，导致大量氧空位形成，使晶粒生长活化能降低提高材料 的致密度和电导率，缺点是稳定晶相掺少量时电导率稍有下降。采用以上化合物颗粒增韧的方式无法兼顾复相陶瓷强度、断裂韧性和硬度等性 能。同时目前制备上述复相陶瓷采用热压、高压等烧结方法，制备工艺复杂、烧结设备 昂贵，难以获得形状复杂的复相陶瓷制品，难以实现大批量工业生产。因此开发一种较低成本的制造技术在保证8YSZ电解质电学性能的前提下兼顾强 度和韧性的LaMgAl11O19-SYSZ复相陶瓷，具有重要的应用价值和技术创新意义。

发明内容
本发明的目的是针对某些颗粒增韧的8YSZ基复相陶瓷不能兼顾强度、断裂韧 性和硬度的问题，利用LaMgAl11O19的板片状形貌、绝缘性好和高弹性模量，提出一种采 用LaMgAl11O19微粉作为第二相粒子引入到8YSZ陶瓷中，通过无压高温固相烧结制备 LaMgAl11O19-SYSZ复相陶瓷的方法，从而达到制备一种强度高韧性大的8YSZ基复相陶瓷材 料的目的。
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为实现上述目的，本专利的技术方案如下本专利涉及一种LaMgAln019_8YSZ复相陶瓷，其特征在于它由LaMgAl11O19粉和 8YSZ粉经1250°C 1850°C下的高温固相法烧结而制得，各组分所占的比例为=LaMgAl11O19 粉为 0. 0 Iwt. % 45wt. %，8YSZ 粉为 55wt. % 99. 99wt. %。其中配料时各种原料的质量要求如下LaMgAl11O19和8YSZ粉体要求纯度大于95wt. %，平均粒径小于20 μ m。本发明所述的LaMgAl11O19-SYSZ复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于它包括以 下步骤1)配料=LaMgAl11O19粉为 0. Olwt. % 45wt. %，8YSZ粉为 55wt. % 99.99wt. %；2)混料采用湿法球磨混合2 36小时，然后在70 110°C的温度范围内干燥 (干燥设备可以采用也可用真空干燥、普通烘箱)6 20h ；3)成型首先在IOMPa IOOMPa下干压成型，然后在IOOMPa 300MPa下冷等静 压成型(也可不进行冷等静压成型)；4)烧结采用高温固相法烧结，将试样置于高温炉中加热，所使用的高温炉可以 采用空气气氛的电加热窑炉、燃气加热窑炉、燃油加热窑炉、微波加热炉、感应加热炉和燃 煤加热窑炉，其烧结温度范围为1250°C 1850°C，保温时间为0. 5h 20h，最后自然冷却至 室温即得到本发明所涉及的LaMgAl11O19-SYSZ复相陶瓷材料。本发明所述的LaMgAl11O19-SYSZ复相陶瓷具有强度高、韧性大、耐高温等特点，其 制备方法具有原料价格低廉，并能够实现复杂形状陶瓷制品的制备，易于工业化生产等优
点ο
具体实施例方式实施例1LaMgAl11O19粉加入量为5wt. %，要求LaMgAl11O19粉体纯度为99. 9wt. %，平均粒径 为1 μ m，8YSZ粉为加入量为95wt. %，要求8YSZ粉体纯度为99. 9wt. %，平均粒径为5 μ m。首先将各种原料按照上述的比例装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，进行湿法球 磨24h，将原料磨细到小于15 μ m的孔径筛的筛余量小于2. Owt. %。将上述混合料在旋转蒸发器内进行干燥，然后在烘箱中于100°C继续干燥4小时 并过100目筛。将干燥后的原料粉在30MPa下压制成型，然后在200MPa下进行冷等静压密实处理。将成型后的试样置于高温炉中烧成，烧成制度为首先以8V /min的升温速度到 1250°C，保温两个小时，然后以5°C /min的升温速度到1550°C，保温三个小时后自然冷却至 室温，即得到相应的LaMgAln019-8YSZ复相陶瓷材料。所得制品的主要性能指标如下体积密度为5. 72g/cm3 ；断裂韧性为 3. 29MPa · m1/2 ；抗折强度为 206. 17MPa。实施例2LaMgAl11O19 粉加入量为 IOwt. %，要求 LaMgAl11O19 粉体纯度为 99. 9wt. %，平均 粒径为1 μ m, 8YSZ粉为加入量为90wt. %，要求8YSZ粉体纯度为99. 9wt. %，平均粒径为 5 μ m0
首先将各种原料按照上述的比例装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，进行湿法球 磨24h，将原料磨细到小于15 μ m的孔径筛的筛余量小于2. Owt. %。将上述混合料在旋转蒸发器内进行干燥，然后在烘箱中于100°C继续干燥4小时 并过100目筛。将干燥后的原料粉在30MPa下压制成型，然后在200MPa下进行冷等静压密实处理。将成型后的试样置于高温炉中烧成，烧成制度为首先以8V /min的升温速度到 1250°C，保温两个小时，然后以5°C /min的升温速度到1550°C，保温三个小时后自然冷却至 室温，即得到相应的LaMgAln019-8YSZ复相陶瓷材料。所得制品的主要性能指标如下体积密度为5. 59g/cm3 ；断裂韧性为 3. 27MPa · m1/2 ；抗折强度为 203. 65MPa。实施例3LaMgAl11O19 粉加入量为 20wt. %，要求 LaMgAl11O19 粉体纯度为 99. 9wt. %，平均 粒径为1 μ m, 8YSZ粉为加入量为80wt. %，要求8YSZ粉体纯度为99. 9wt. %，平均粒径为 5 μ m0首先将各种原料按照上述的比例装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，进行湿法球 磨24h，将原料磨细到小于15 μ m的孔径筛的筛余量小于2. Owt. %。将上述混合料在旋转蒸发器内进行干燥，然后在烘箱中于100°C继续干燥4小时 并过100目筛。将干燥后的原料粉在30MPa下压制成型，然后在200MPa下进行冷等静压密实处理。将成型后的试样置于高温炉中烧成，烧成制度为首先以8V /min的升温速度到 1250°C，保温两个小时，然后以5°C /min的升温速度到1550°C，保温三个小时后自然冷却至 室温，即得到相应的LaMgAln019-8YSZ复相陶瓷材料。所得制品的主要性能指标如下体积密度为5. 35g/cm3 ；断裂韧性为 3. 99MPa · m1/2 ；抗折强度为 297. 38MPa。实施例4LaMgAl11O19 粉加入量为 25wt. %，要求 LaMgAl11O19 粉体纯度为 99. 9wt. %，平均 粒径为1 μ m, 8YSZ粉为加入量为75wt. %，要求8YSZ粉体纯度为99. 9wt. %，平均粒径为 5 μ m0首先将各种原料按照上述的比例装入球磨罐中，以无水乙醇为介质，进行湿法球 磨24h，将原料磨细到小于0. 150mm的孔径筛的筛余量小于2. Owt. %。将上述混合料在旋转蒸发器内进行干燥，然后在烘箱中于100°C继续干燥4小时 并过100目筛。将干燥后的原料粉在30MPa下压制成型，然后在200MPa下进行冷等静压密实处理。将成型后的试样置于高温炉中烧成，烧成制度为首先以8V /min的升温速度到 1250°C，保温两个小时，然后以5°C /min的升温速度到1550°C，保温三个小时后自然冷却至 室温，即得到相应的LaMgAln019-8YSZ复相陶瓷材料。
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所得制品的主要性能指标如下体积密度为5. 24g/cm3 ；断裂韧性为 3. 22MPa · m1/2 ；抗折强度为 235. 59MPa。
权利要求
本专利涉及一种LaMgAl11O19 8YSZ复相陶瓷材料，其特征在于它由LaMgAl11O19粉和8YSZ粉经1250℃～1850℃下的高温固相法烧结而制得，各组分所占的比例为LaMgAl11O19粉为0.01wt.％～45wt.％，8YSZ粉为55wt.％～99.99wt.％。
2.根据权利要求1所述的LaMgAl11O19-SYSZ复相陶瓷材料，其特征在于配料时各原料 的质量要求如下LaMgAl11O19和8YSZ粉体要求纯度大于95wt. %，平均粒径小于20 μ m ；。
3.根据权利要求1所述的LaMgAl11O19-SYSZ复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于它 包括的工艺步骤为1)配料LaMgAl11O19粉为0. Olwt. % 45wt. %，8YSZ粉为55wt.99. 99wt. % ；2)采用通用方法混料和成型；3)高温固相法烧结将成型后的陶瓷坯体置于 耐火垫板上，置于高温炉中加热，其陶瓷坯体的烧结温度为1250°C 1850°C，在最高烧结 温度时保温0. 5h 20h ；5)自然冷却后取出陶瓷制品，即得到LaMgAln019-8YSZ复相陶瓷。
4.根据权利要求3所述的LaMgAl11O19-SYSZ复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于所 使用的高温炉可以采用电加热窑炉、燃气加热窑炉、燃油加热窑炉、微波加热炉、感应加热 炉和燃煤加热窑炉等。
全文摘要
本发明涉及一种LaMgAl11O19-8YSZ复相陶瓷及其制备方法。本发明以LaMgAl11O19粉体和8YSZ微粉为原料通过组分设计、配料、球磨混匀、成型，在1250℃～1850℃下采用高温固相法烧结，制备出一种LaMgAl11O19-8YSZ复相陶瓷材料。本发明所涉及的这种LaMgAl11O19-8YSZ复相陶瓷具有强度高、韧性大、耐高温等特点，其制备方法具有原料价格较低，制备方法相对简单，产品性能好等特点。
文档编号C04B35/622GK101928144SQ20101026985
公开日2010年12月29日 申请日期2010年9月1日 优先权日2010年9月1日
发明者刘艳改, 房明浩, 李吉皎, 黄朝晖, 黄赛芳 申请人:中国地质大学(北京)