将制成的两种粉料分别与B73210型流延粘结剂(天津无线电元件15厂提供)混合制成浆料,用Model30型流延机制成30m厚的坯片。将10层坯片热压粘合后,裁为7070mm2,经450排胶后,分别在不同温度烧结。将两种粉料分别用模具压成4630mm3的试条,烧结后用四端子法测量电导率。用HITACHIX-650扫描电子显微镜观察试样面及断口形貌。用理学D/Max2500X射线衍射仪进行衍射分析。
流延工艺过程及分析将两种粉料分别与B73210型流延粘结剂混合,混合比例经实验确定为11(重量百分比),此时浆料的粘度较为合适。混合后的浆料用微粒球磨机混磨48小时,以使粉料和粘结剂混合均匀。混合好的浆料静置10分钟后,用Model30型流延机制成约30m厚的坯片。流延速度选择为30mm/秒,烘干温度为75,时间为2分钟。
为克服粉料与粘结剂局部混合不匀的缺点,将10层坯片叠合,经90、5分钟的热压使叠层粘合后,裁为7070mm2的方形毛坯。毛坯放置在平板上进行升温排胶(粘结剂排除),到达450后,保温1小时取出,放入硅钼棒烧结炉内进行烧结实验。烧结温度选择在1400、1450、1500、1550、1580.
实验发现,用共沉淀法制备的YSZ粉料可以在1450烧成;而固相混合法制成的粉料,必须在1580才能烧结。根据以往的经验判断,用共沉淀法制备的粉料,粒度一般为几十到100nm,活性较高,可以在较低温度下烧结。而用固相混合法制成的粉料,一般粒度为m量级,活性较差,需在高温烧结。
烧结后的YSZ陶瓷片厚度为220m,尺寸为4646mm2,烧结线收缩率约为34%.陶瓷片的强度较高,从1.5m高处自由落地(水泥地面)不会碎裂。烧结后的陶瓷片致密度也较高,一侧用水浸湿后,另一侧不出现滴漏,较电泳沉积法制造的YSZ薄膜4其气密性要高。
一般认为只有在采用较大压力时才能获得高致密。然而本课题的实验结果明,流延成形工艺也能获得较高体积密度的坯体。分析其原因,我们认为:这种成形工艺与其他工艺相比,尽管未加外力,但YSZ粉末同粘结剂均匀混合后,靠粉末自身的沉降,随着溶剂的挥发,粉末不停地移动、收缩,形成密堆结构,得到较大的填充密度,从而烧结致密。
YSZ材料的性能将两种YSZ粉末压制成试条,烧结后测试电导率。实验发现,烧结后的试条电导率很接近,这说明两种粉末的导电性能比较一致。典型的共沉淀法YSZ粉末制成的试条电导率测试结果如所示。
结论(1)选用共沉淀法和固相反应法制造的YSZ粉料,成功地用流延成形法制成了厚度为0.2mm的YSZ固体电解质薄膜。(2)用共沉淀法制备的YSZ粉料,可以在1450烧成;而固相混合法制成的粉料,必须在1580才能烧结。原因是由于共沉淀法制备的YSZ粉料粒度小,活性高。(3)流延法制造的YSZ薄膜,组织致密,强度较高,适合用做燃料电池的电解质膜。