稀土氧化物RE2O3(RE=La,Ce,Gd,Yb)摻雜氧化釔穩(wěn)定氧化鋯氣凝膠相穩(wěn)定性與晶粒生長分析

于長清，余悠然，趙英民，巢雄宇，袁武華

(1.航天特種材料及工藝技術(shù)研究所，北京 100074;2.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410082)

0 引 言

氧化鋯陶瓷(ZrO2)具有熱膨脹系數(shù)高、導(dǎo)熱率低、熱穩(wěn)定性優(yōu)異和離子導(dǎo)電性高等特點，因此被廣泛用于熱障涂層、電解質(zhì)、固體氧化物燃料電池(SOFC)等高溫應(yīng)用領(lǐng)域[1-4]。ZrO2具有三種晶型：低溫的單斜相、中溫的四方相和高溫的立方相。三種晶型之間可以互相轉(zhuǎn)變，當(dāng)溫度升高至1 170 ℃左右，ZrO2的晶體結(jié)構(gòu)由單斜相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较啵橛?%～9%的體積收縮，這是ZrO2陶瓷高溫下產(chǎn)生破壞的主要原因[5-6]。當(dāng)添加穩(wěn)定劑以后，四方相可以在常溫下穩(wěn)定，因此在加熱后不會發(fā)生體積的突變，大大拓展了氧化鋯的應(yīng)用領(lǐng)域，其中常用的穩(wěn)定劑是氧化釔(Y2O3)。但氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯(YSZ)材料僅能應(yīng)用于1 200 ℃以下的環(huán)境中，當(dāng)溫度超過1 200 ℃(接近其耐久性和溫度極限)時會發(fā)生晶粒的明顯生長和相變[7]。

因此，研究人員更多地關(guān)注具有更高溫度穩(wěn)定性的ZrO2材料的研發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)在YSZ材料中選擇穩(wěn)定劑可有效抑制ZrO2的相變和晶體生長[8]。例如，Jones等[9-10]發(fā)現(xiàn)Sc2O3和Y2O3共同摻雜的ZrO2比YSZ具有更好的四方相穩(wěn)定性；Guo等[11]研究了Sc2O3和Gd2O3共摻雜ZrO2的四方相穩(wěn)定性，結(jié)果表明其穩(wěn)定性隨著Sc2O3含量的增加而增加。

目前，很少有關(guān)于無裂紋、塊狀稀土元素摻雜氧化釔穩(wěn)定氧化鋯多元氣凝膠(RE-YSZ)的報道。因此，本文選取了不同種類的稀土氧化物(RE2O3,RE=La，Ce，Gd，Yb)采用溶膠-凝膠法和超臨界流體干燥法制備了RE2O3摻雜塊狀YSZ氣凝膠，溶膠中的膠體粒子在一定條件下互相連接，形成空間骨架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)空隙中充滿了作為分散介質(zhì)的氣體。……