D0I:10.13374/i.issm1001-053x.2005.02.051 第27卷第2期 北京科技大学学报 Vol.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing APr.2005 流延成型制备8YSZ电解质薄片及其性能研究 韩敏芳王玉倩李伯涛彭苏萍 中国矿业大学（北京校区），北京100083 摘要探索了以YSZ纳米粉体为原料，采用流延成型的方法制备YSZ电解质薄片的工艺 过程，研究了YSZ纳米粉体及流延后坯体的性能，以及通过实验获得的瓷体性能，粉体粒度 分布窄，在0.10.3μm之间，中位径为0.157m.坯体在9689℃开始有明显收缩，在1279.9℃ 收缩最快，而在1400℃后，收缩值基本稳定于20%.坯体的致密度良好，相对密度为64,1%.通 过烧结得到的瓷体的相对密度可达97.，8%，晶粒细密均匀，大小为14m,晶界明显.YSZ薄 片随温度的升高表现出良好的电性能，在900℃时的电导率达0.106S/cm 关键词纳米粉体：流延成型：电解质薄片：烧结性能 分类号TM911.4;0782.8 电解质薄膜化在固体氧化物燃料电池(Soid 因此通过实验研究纳米粉体流延成型工艺制备 Oxide Fuel Cell,SOFC)、传感器等领域的应用一直 电解质薄膜，并对其性能进行表征很有必要. 是人们关注和研究的热点，尤其是平板式SOF℃ 的快速发展，更为大片电解质薄膜提供了广泛的 1实验过程 应用前景，流延成型技术是20世纪40年代首先 以化学共沉淀工艺制备8%YO,(摩尔分数) 发展起来的用于生产陶瓷片层电容器的新技术， 稳定的ZOz(YSZ)粉料为原料四，将YSZ粉料与溶 其关键在于合适的粉体性能和合适的浆料体系. 剂、粘接剂、增塑剂和分散剂混合，具体过程如 纳米粉体具有小的尺寸效应和高的比表面 下：100g纳米粉料样品，加入到18mL的甲基乙 活性，可以有效降低烧结温度，适宜用作制备电 基酮和乙醇的混合溶液中，同时加入3mL的油 解质材料.但是纳米粉体由于上述性能，又容易 精，球磨1824h.之后，加入聚乙烯醇缩丁醛38 团聚同，团聚体的存在对流延成型工艺很不利.团 g,以及邻苯二甲酸二乙酯3~8g,继续球磨24h. 聚体具有稳定、形状不规则大颗粒的许多特征， 将得到的浆料过滤，真空脱气，将混合好的泥浆 不仅难以形成稳定的分散，而且对生坯的堆积密 浇注在一个运动的传送带上，用薄薄的刮刀将其 度和均匀性带来非常有害的影响.由于桥接效应 刮平为一个平整的薄片.通常刮刀间隙与最终干 将会产生团聚体间的小气孔和团聚体内部的大 燥素坯的厚度比为2：1.流延薄片经过干燥后获 孔隙，并且由于小的原始颗粒在烧结期间优先致 得坯体.坯体在1450℃，恒温2h,氧化气氛中烧 密化，从而导致烧结时这些气孔不能完全消除， 结成瓷体. 因此给流延成型造成不利的影响.目前定义一组 采用SA-CP3离心沉降粒度分析仪测定粉 专门用于流延成型的粉体性能是不可能的，必须 体的粒度分布.利用EDX-700型X荧光分析仪 按照当前的应用要求和有关标准作出选择，具体 分析其成分.在Netzsch Di1402型热分析仪上测 应考虑粉体的化学纯度、颗粒大小和尺寸分布、 试YSZ纳米粉料坯体的烧结性能.测定坯体及瓷 颗粒形貌、硬团聚和软团聚程度、组分的均一性、 片尺寸和质量，求出线收缩和体积密度，采用美 烧结活性以及规模生产的能力和制造成本等， 国AMRAY1820型扫描电子显微镜(SEM)观测坯 收稿日期：2004-09-20修回日期：2004-11-12 体及瓷片的表面微观形貌.根据霍恩测量原理， 基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目QNo.50025413) 采用四端电极法(Van De Pauw法)测得瓷体的电 作者简介：韩敏芳(1967)，女，副教授，博士 导率.第 2 7 卷 第 2 期 2 0 0 5 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n iv e r s i ty o f S e i e n e e a n d Te e h n o l o gy B e ij in g V 6 1 . 2 7 N o . 2 A P r. 2 0 0 5 流延成型制备 S Y S Z 电解质薄片及其 I l’1 能研究 韩敏 芳 王 玉 倩 李伯 涛 彭苏萍 中国矿业 大 学(北 京校 区 ) , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 探 索 了 以 Y SZ 纳米 粉体 为 原料 , 采 用 流延 成型 的方 法制 备 Y S Z 电解 质薄 片 的工艺 过 程 , 研 究 了 Y S Z 纳 米粉 体及 流 延后坯 体 的性 能 , 以及通 过实 验获 得 的瓷体 性 能 . 粉体粒 度 分 布 窄 , 在 0 . 1一 .0 3 拜m 之 间 , 中位 径 为 0 . 157 拼n l . 坯体 在 9 68 . 9℃ 开 始有 明显 收缩 , 在 1 2 7 .9 9 ℃ 收缩最 快 , 而在 1 4 0 0 ℃ 后 , 收 缩值 基本 稳定 于 20 % . 坯体 的致 密度 良好 , 相对 密度 为 64 . 1% 通 过 烧 结得 到 的瓷体 的相 对密 度可 达 97 · 8% , 晶粒 细 密均 匀 , 、 大小 为 1礴 卿 , 晶界 明显 . Y S Z 薄 片 随温 度 的升 高表现 出 良好 的 电性 能 , 在 9 0 ℃ 时 的 电导 率达 0 . 10 6 5 c/ m . 关键 词 纳米 粉体 ; 流延 成型 ; 电解 质 薄片 ; 烧结 性 能 分类 号 T M g 1 1 . 4 ; 0 7 5 2 十 . 8 电解质 薄膜 化在 固体氧 化 物燃 料 电池 ( S ol id O x i d e F u e l C e l l , S O F C ) 、 传感 器 等领 域 的应用 一 直 是人 们 关注 和研 究 的热 点 , 尤其 是 平 板 式 S O F C 的快速 发 展 , 更 为大 片 电解 质 薄膜 提供 了广泛 的 应用 前 景 . 流 延成 型 技 术是 20 世 纪 40 年代 首 先 发展起 来 的用 于 生产 陶瓷 片层 电容 器 的新 技术 , 其关键 在 于合 适 的粉体 性 能和 合适 的浆 料 体系 . 纳 米 粉 体 具 有 小 的尺 寸 效 应 和 高 的 比 表 面 活性『1] , 可 以有效 降低 烧 结温度 , 适 宜用 作 制备 电 解质 材料`2] . 但是 纳米 粉体 由于上述 性 能 , 又容 易 团聚【3] , 团聚 体 的存在 对流 延 成型 工艺很 不 利 . 团 聚体 具 有稳 定 、 形状 不 规 则大 颗粒 的许 多特 征 , 不仅 难 以形成 稳 定 的分散 , 而 且对 生坯 的堆积 密 度和 均匀 性 带来 非常有 害 的影 响 . 由于桥 接效 应 将会 产 生 团聚 体 间 的 小气 孔 和 团聚 体 内部 的大 孔 隙 , 并且 由于 小 的原始 颗粒 在烧 结 期 间优先 致 密化 , 从 而 导致烧 结 时这 些气 孔 不 能完 全 消 除 , 因此 给流 延 成型造 成 不利 的 影响 . 目前定 义一 组 专 门用于 流 延成 型 的粉 体 性 能是 不可 能 的 , 必须 按照 当前 的应用 要求 和有 关标 准作 出选 择 , 具体 应考 虑 粉 体 的化 学纯 度 、 颗粒 大 小和 尺 寸 分布 、 颗粒 形貌 、 硬 团聚 和 软 团聚 程度 、 组分 的均 一性 、 烧 结活 性 以及 规模 生 产 的 能力和 制 造 成本 等 口, . 因此 通 过 实验 研 究 纳 米粉 体 流 延 成 型 工 艺制 备 电解质 薄 膜 , 并 对其 性 能 进行 表 征很 有 必要 . 收稿 日期 : 2 0 0午0 9一0 修 回 日期 : 2 0 0 4 一 1 1一 12 基金 项 目 : 国家 杰 出 青年科 学基 金 资助项 目困 0 . 5 0 02 541 3) 作者 简介 : 韩敏 芳 ( 19 67 一) , 女 , 副 教授 , 博 士 1 实 验 过 程 以化学 共 沉 淀工 艺制 备 8% Y 2 0 3 ( 摩 尔分 数 ) 稳 定 的 zr O Z (Y S )Z 粉 料 为 原料 仪l , 将 Y S Z 粉 料 与溶 剂 、 粘接 剂 、 增 塑剂 和 分 散剂 混 合 . 具体 过程 如 下 : 10 0 9 纳 米 粉料 样 品 , 加 入 到 18 m L 的 甲基 乙 基 酮 和 乙醇 的混 合 溶液 中 , 同时 加入 3 m L 的油 精 , 球磨 1 8一 24 h . 之后 , 加入 聚 乙烯 醇 缩丁 醛 3一 8 g , 以及邻 苯 二 甲酸 二 乙 酷 3一 8 9 , 继续 球 磨 24 .h 将 得 到 的浆料 过 滤 , 真空 脱气 , 将 混合 好 的泥 浆 浇 注在 一个 运 动 的传送 带上 , 用 薄 薄 的刮刀 将其 刮 平 为一个 平 整 的薄片 . 通 常刮 刀 间 隙与最 终干 燥 素 坯 的厚 度 比 为 :2 1 . 流 延 薄片 经 过干 燥 后获 得 坯 体 . 坯 体 在 14 50 ℃ , 恒 温 Z h , 氧 化气 氛 中烧 结 成 瓷体 . 采 用 S A 一 C P 3 离心 沉 降粒度 分 析 仪 测 定粉 体 的粒度 分 布 . 利 用 E D X 一 7 0 型 X 荧光 分 析仪 分 析 其 成分 . 在 N et sz ch D il 4 02 型热 分析 仪 上测 试 Y Sz 纳米粉 料 坯体 的烧 结 性 能 . 测定 坯体 及 瓷 片 尺 寸和 质 量 , 求 出线 收缩和 体积 密度 . 采用美 国 A M R A Y 18 2 0 型 扫描 电子显 微镜 ( S E M ) 观 测坯 体 及 瓷片 的表 面微观 形貌 . 根据 霍恩测 量 原理『5] , 采 用 四端 电极法 《物 n D e P ~ 法 ) 测得 瓷 体 的 电 导 率 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2005. 02. 051