Керамический электропроводный материал на основе диоксида циркония Советский патент 1991 года по МПК H05B3/14 C04B35/486 

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

Известен высокоогнеупорный электропроводный материал на основе диоксида циркония;с добавками оксидов иттрия и иттербия, имеющий следующее соотношение компонентов, мол.%: Диоксид циркония Основа Оксцд иттрия - 3-6 Оксид иттербия 3-6 Диоксид циркония Остальное Недостатком такого материала I является низкая электропроводность

и низкая ее стабильность.в интервале

СО температур 800-1000 С. Максимальная

;о электропроводность этого материала при не превышает 8-10 см , причем после 300 ч выдержки при эта величина уменьщается

а на 15-20%.

со

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

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 интерзале температур 800ЮОО Сболее высока, чем у аналога, однако также является недостаточно высокой, что приводит к большим затратам электроэнергии при использовании его в качестве твердых электролитов тбшшвных элементов и электролизеров 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 вьше, чем у а налога, что является причиной изменения электрических характеристик топливных элементо и электролизеров, приводящего к умен шению их коэффициента полезного действия.

Целью изобретения является повышение электропроводности и ее стабильности в интервале температур SOO-IOOO C.

Поставленная цель достигается тем, что электропроводный материал на основе диоксида циркония с добавками оксидов иттрия и скандия дополнительно 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, выражаклдееся в повышении электропроводности и ее стабильности, связано с комплексным участие всех трех добавок, в формировании структуры твердого раствора на основе диоксида циркония имею- ще-го высокую подвижность ионов кислорода и вместе с тем устойчивость к образованию, комплексов анионная вакансия - примесный катион, .являюгщихся причиной нестабильности электропроводности .

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

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

Q 1300С растирали в ступке из диоксида циркония. Из приготовленных масс прессовали балочки размером 5x5X35 мм при давлении прессования 250 МПа. Отпрессованные балочки

обжигали в печи с нагревателями и футеровкой из диоксида циркония в атмосфере воздуха при 900 С в течение 4 ч. На торцы обожженных бапочек наносили платиновую пасту, кото-

0 РУ° вжигали при 1400°С в течение

2ч. Полученные таким образом образцы имели плотность 92-96% от теоретически возможной и предел прочности при изгибе 150-200 МПа.

Электропроводность образцов как начальную, так и после выдержки при вОО-ЮОО С в течение 300 ч определяли двухконтактным методом на мосте переменного тока при частоте

Q 3 КГц на воздухе при температуре 800-1000°С.

Результаты измерений приведены в таблице (ошибка измерения электропроводности составила iO, 1 Ю см ).

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

5 иттербия в количестве 0,5-6 мол.%, а также состав 14, соответствующий прототипу. В то же время наибольшей стабильностью электропроводности, т.е. способностью сохранять исходQ ное значение электропроводности при длительных изотермических выдержках, обладают составы, содержащие 1-4 мол.% оксвда иттербия,

Дпя твердых электролитов, работаюс щих в электрохимических устройствах, наиболее важной характеристикой наряду с выйокой электропроводностью является ее стабильность, поэтому оптимальной областью составов твердых растворов в системе Y203 8с2.0э следует считать область составов, указанных в формуле изобретения, так как только в данной области нарядуо с высокой электропроводностью сохраняется стабильность электропроводности при длительных изотермических вьщержках.

Именно поэтому составы 7, 9, 10, 11 и 14, имеюпще 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 электропроводность на 5- 10%, в то время как у предложенного высокоогнеупорного электропроводного материала колебания электропроводности не превысили 1-1,5%, т.е. ошибки эксперимента.

Применение предложенного материала для изготовления электронагревателей сопротивления позволит снизить

с температуру их зажигания на 50-100 С, что дает возможность использовать для предварительного нагрева этих электронагревателей металлические электронагреватели, более надежные,

0 чем применяемые в настоящее время карбидкремниевые.

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

5 электролизеров температура эксплуа- тацин этих устройств снижается на 50 С, а их надежность и долговечность повышается.

Таким образом, предложенный мате0 риал обладает повышенной электропро-

водйостью и стабильностью при температурах SOO-IOOO C.

i

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

,Составы 12-14 соответствуют составу прототипа.