[发明专利]一种LaMgAl11O19-8YSZ复相陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种LaMgAl₁₁O₁₉-8YSZ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O^2-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ZrO₂)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ZrO₂)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Zr⁴⁺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LaMgAl₁₁O₁₉-8YSZ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LaMgAl₁₁O₁₉-8YSZ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。

为实现上述目的，本专利的技术方案如下：

本专利涉及一种LaMgAl₁₁O₁₉-8YSZ复相陶瓷，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.％。

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20μm。

本发明所述的LaMgAl₁₁O₁₉-8YSZ复相陶瓷材料的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：