Керамический электропроводный материал на основе диоксида циркония

 

КЕРАМИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ с добавками оксидов иттрия и скандия, отличающийся тем, что, с целью повьшения электропроводности и ее стабильности в интервале температур 800-1000°С, он дополнительно содержит оксид иттербия при следующем соотношении компонентов , мол.%: Оксид иттрия 2-5 Оксид скандия 1-3 .Оксид иттербия 1-4 Диоксид циркония ,Остальное § СО с

,SU, 9900 3

СОКИ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И (ЛНРЫТИЯМ

ПРИ fHHT СССР (21) 3297127/07 (22} 01.04.81 (46} 07.03.91. Бюл. Ф 9 (71) Восточный научно-исследовательский и проектный институт огнеупорной промышленности (72) Ю.С.Торопов, М.А.Коленкова, Д.С.Рутман, Т.В.Кахаева, В.В.Варэн, И.Ф. Полетаев, В.С. Докман, Н.Д. Спевак, В.П.Лупол, А.А.Гриэик, С,Ю.Плинер и Ю.М.Полежаев (53) 621.3.036.662.9 (088.8} (56) Кузнецов А.К. и др,, Твердые. растворы в системе ЕгО е Yz0 и

ЕгО, — 7 0з — YbzO .. — Известия

АН СССР. Неорганические материалы, 1972, т.8, У 4, 749-752.

Авторское свидетельство СССР

И 576304, кл. С 04 В 35/48, 1976.

Изобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть ,использовано для изготовления твердых электролитов и реэистивных электронагревателей из керамического электропроводного материала на основе диоксида циркония.

Известен высокоогнеупорный электро проводный материал на основе диоксида циркония: с добавками оксидов иттрия и иттербия, имеющий следующее соотношение компонентов, мол.Ж:

Диоксид циркония Основа

Оксид иттрия 3-6

Оксид иттербия 3-6

Диоксид циркония Остальное

Недостатком такого материала является низкая электронроводность (51)5 H 05 В 3/14, С 04 В 35/48

2 (54) (57) КЕРАМИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОД.

НЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА

ЦИРКОНИЯ с добавками оксидов иттрия и скандия, отличающийся тем, что, с целью повышения электропроводности и ее стабильности в интервале температур. 800-10000С, он дополнительно содержит оксид иттербия при следующем соотношении компонентов, мол.7:

Оксид иттрия 2-5

Оксид скандия 1-3 .Оксид иттербия 1-4

Диоксид циркония,Остальное

I и низкая ее стабильность,в интервале температур 800-1000 С. Максимальная электропроводность этого материала при 900 С не превышает 8 ° 10 см х х см 1, причем после 300 ч выдержки при 900 С эта величина уменьшается на 15-20Х.

Все это делает практически невозможным применение указанного материала в качестве твердых электролитов и резистивного электронагревателя.

Наиболее близким к предлагаемому керамическому электропроводному материалу по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является материал .на основе диоксида циркония с добавками оксидов иттрия

990063

55 скандия, имеющий следующее соотношение компонентов, мол. .:

Диоксид циркония Основа

Оксид иттрия 3,0-4,5

Оксид скандия 3,0-7,0

Диоксид циркония Остальное

Электропроводность такого материала в интервале температур 8001000 С более высока, чем у аналога, однако также является недостаточно высокой, что приводит к большим затратам электроэнергии при использовании его в качестве твердых электролитов тЬпливных элементов и электро 15 ливеров и необходимости разогрева до температур выше 1000 С посторонним источником тепла при использовании в качестве электронагревателей сопротивления.

Кроме того, известный материал не обладает достаточно высокой стабильностью электропроводности, хотя она и вьппе, чем у аналога," что является причиной изменения электрических характеристик топливных элементов и электролизеров, приводящего к уменьшению их коэффициента полезного действия.

Целью изобретения является повышение электропроводности и ее стабильности в интервале температур

800-1000 С.

Поставленная цель достигается тем, что электропроводный материал на основе диоксида циркония с добавками оксидов иттрия и скандия допол-. нительно содержит оксид иттербия при следующем соотношении компонентов, .мол. :

Оксид иттрия 2-5

Оксид скандия 1-3

Оксид иттербия . 1-4

Диоксид циркония Остальное

Неаддитивное действие добавки оксида иттербия, выражающееся в повышении электропроводности и ее стабильности, связано с комплексным участием всех трех добавок,в формировании структуры твердого раствора на основе диоксида циркония1 имеющего высокую подвижность ионов кислорода и вместе с тем устойчивость к образованию, комплексов анионная вакансия - примесный катион, являющйхся причиной нестабильности электропроводности.

Верхние и нижние пределы концентраций добавок оксидов иттрия, скан1 дия и иттербия определены экспериментально, и иллюстрируются примером (см. таблицу).

Порошки твердых рас.творов на основе диоксида циркония требуемого состава (см. табл.) готовили совместным осаждением из раствора хлоридов аммиаком. Порошки после прокалки при

1300 С растирали в ступке из диоксида циркония, Из приготовленных масс прессовали балочки размером

5х5х35 мм при давлении прессования

250 МПа. Отпрессованные балочки обжигали в печи с нагревателями и футеровкой из диоксида циркония в о атмосфере воздуха при 1900 С в течение 4 ч. На торцы обожженных балочек наносили платиновую пасту, которую вжигали при !400 С в течение

2 ч. Полученные таким образом образцы имели плотность 92-96 от теоретически возможной и предел прочности при изгибе 150-200 ИПа, Злектропроводность образцов как начальную, так и после выдержки при 800-1000 С в течение 300 ч определяли двухконтактным методом на мосте переменного тока при частоте

3 КГц на воздухе при температуре

800-1000 С.

Результаты измерений приведены в таблице (ошибка измерения электро-и -4 проводности составила +0,1 10 см хсм ).

Из данной таблицы видно, что предложенный высокоогнеупорный элек- ° тропроводный материал. (составы

1-6) имеет электропроводность и ее стабильность в интервале температур

800-1000 С более высокую, чем известный.

Наибольшей электропроводностью обладают составы, содержащие оксид иттербия в количестве 0,5-6 мол.Ж, а также состав Ф 14, соответствующий прототипу. В то же время наибольшей стабильностью электропроводности, т.е. способностью сохранять исходное значение электропроводности при длительных изотермических выдержках, обладают составы, содержащие

1-4 мол.X оксида иттербия, Для твердых электролитов, работающих в электрохимических устройствах, наиболее важной характеристикой наряду с высокой электропроводностью является ее стабильность, поэтому оптимальной областью составов твер0063

)4,0 ° -)О

12,5 ° lo

13, 2 ° lo

)З,9 !Ос

)3 4 )а-а

)з,) !о

13,6 10

10„2- 10 .

11,9 10. !

4,О.)О

ll,7 ° lÎ *

10,8. ° 10

11,6 10

12,5 10

25,8 1(Г

24,3.10

25,0 10

25,г.ю, 25,1 -10

Z5,О-!О

Z5,Z. Ю, Z0,4. Ю, 23,6 !О

26,0.10

22,8-10 гз,!.10

2311.10 2

24с8 10

7,1 ° 10 с

6,З !О, 6,6;10

z,о ° !о, 6,7 )О

6>Ф 10

6,8-10

4 8 l0-*

6,0 ° 10

7,0 10

6,0 ° 10

5,5 ° 10

S,8-10

6,4.10 з

1 4

3 г з

2 2 г з г

1 5 ! 2

8, 0 5

Z 6 з о о

6 О

93 3

90,5.

92 4

92 3

92 . 4

90 5

92 1

92 2

91 6

90 . 1,5

90 2

9О З

90е5 3 5

2 з

5

7 в

9 ! о

11

)г", з

z,1-!о

6 4 10

6,6 ° 10.

z, )о-

6,6 10

6,6 ° 10

5,4 10

4,2 Ю

5,4 !О- .

5,1 10

5> 2 ° 10

5 2 IO

5,4-)0

6.0-)О

25,9 10 г4,4..!о *

25,0 10

25,I !о

25,1 lo * г5, I IO-e

20,6- 10 *

17,6-!О

22,4.)0

Z3,1.10 ), 21,7.,10

22,9.10-, ZZ,8 !а, 24,4 IO

13,9 10

)2,6 10 !

З,l Ю

14 > 0.)0

)3,4.1î

)з,г-ю !

О,4..10

9„0 IO

10,9..10 !

),г 10 *, »,о ю, 10 2 Io

10,8 ° !О

12, 1-10,Составы 12-) 4 соответствуют составу врототяюа

Редактор О.Филиппова

Корректор М.Самборская

Техред Л.Олейник

Заказ 1058 Тираж 498 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г.Ужгород, ул. Гагарина, 101.

5 99 дых растворов в системе Zr0>- У20>

Sc205 1320 э следует счйтать область составов, указанных в формуле ! изобретения, так как только в данной области наряду с высокой электропроводностью сохраняется стабильность электропроводности при длительных изотермических выдержках.

Именно поэтому составы 7, 9, 10, 11 и 14, имеющие высокое начальное значение электропроводности, малопригодны для изготовления твердых электролитов из-за быстрого ее уменьшения при изотермических выдержках.Эти составы уже через первые 300 ч работы уменьшили злектропроводность на 5 10Х в то время как у предложенного высокоогнеупорного электропроводного материала колебания электропроводности не превысили 1-1 5Х т,е. ошибки эксперимента.

Применение предложенного материала для изготовления электронагревателей сопротивления позволит снизить температуру их зажигания на 50-100 С, что дает возможность испольэовать для предварите7)ьного нагрева этих зле к тронагрев ателей ме таллические электронагреватели, более надежныев

1р чем применяемые в настоящее время карбидкремниевые.

В случае использования предложенного материала в качестве твердых электролитов топливных элементов и

15 электролизеров температура эксплуатации этих устройств снижается на о

50 С, а их надежность и долговечность повышается.

Таким образом, предложенный материал обладает повышенной электропроводностью и стабильностью при температурах 800-1000 С.