冷烧结温度对BaZr0.7Ce0.2Y0.1O3-δ质子导体微观结构和力学性能的影响

《Materials & Design》：Effect of cold sintering temperatures on the microstructure and mechanical properties of BaZr 0.7Ce 0.2Y 0.1O 3-δ proton conductors

冷烧结工艺结合后热处理可有效制备高密度、高强度BaZr0.7Ce0.2Y0.1O3-δ陶瓷膜，150℃冷烧结样品密度达6.38g/cm3，断裂韧性1.48MPa·m0.5，电导率1.48×10??S/cm接近传统1600℃烧结样品。

　　本研究探讨了冷压烧结技术（CSP）在制备BaZr_0.7Ce_0.2Y_0.1O_3-δ（BZCY721）陶瓷膜中的应用。传统的烧结方法通常需要高温（1500–1600°C）和较长的保温时间（超过24小时），这不仅增加了能源消耗，还可能导致Ba元素的蒸发，从而影响材料的导电性能。相比之下，冷压烧结技术能够在相对较低的温度（150–350°C）下实现材料的致密化，并通过后续的热处理（PTT）进一步优化其性能。研究结果显示，冷压烧结后的样品在机械性能方面表现优异，如硬度、弹性模量和断裂韧性等，同时在一定的温度范围内，其总电导率也接近传统烧结样品的水平。

### 冷压烧结的优势

冷压烧结是一种新颖的致密化方法，能够在较低的温度下通过压力辅助机制实现陶瓷材料的致密化。这种方法的显著优势在于其显著降低的烧结温度和时间，从而减少能量消耗。在冷压烧结过程中，陶瓷粉末与液态溶剂（如水）结合，在施加压力的同时被加热至不超过350°C的温度。在此过程中，材料内部的化学成分发生溶解和再沉淀，随后在压力作用下实现致密化。最终通过热处理，材料的晶格结构得以恢复，从而实现其功能特性。这种方法不仅能够减少Ba的蒸发，还能通过控制烧结条件优化材料的微观结构，从而提升其机械性能和电导率。

### 微观结构与性能的关系

研究发现，冷压烧结样品的微观结构呈现出更细小的晶粒和更少的孔隙，这对其机械性能产生了积极影响。特别是在冷压烧结温度为150°C的样品中，其密度和弹性模量达到了最大值。这是因为更细的晶粒和更小的孔隙能够有效提高材料的致密性，从而增强其结构稳定性。此外，冷压烧结样品的硬度也高于传统烧结样品，这与更细的晶粒和更低的孔隙率有关。这些结果表明，冷压烧结在优化材料的微观结构方面具有明显优势，从而提高其机械性能。

### 断裂韧性与测试方法

断裂韧性是评估材料在实际应用中抵抗裂纹扩展能力的重要指标。本研究采用两种方法对冷压烧结样品的断裂韧性进行了测试：Vickers压痕法和微柱断裂测试。Vickers压痕法显示，冷压烧结样品的断裂韧性为1.26 MPa·m^0.5，而传统烧结样品的断裂韧性为0.93 MPa·m^0.5。这表明冷压烧结样品在抵抗裂纹扩展方面更具优势。微柱断裂测试进一步验证了这一结论，其中冷压烧结样品（尤其是150°C处理的样品）的断裂韧性达到了1.48 MPa·m^0.5，显著高于传统烧结样品的1.40 MPa·m^0.5。这一结果表明，冷压烧结不仅能够提升材料的致密性，还能增强其断裂韧性，从而提高其在高温和高压环境下的可靠性。

### 电导率与热处理的关系

电导率是评估陶瓷膜性能的关键指标之一，特别是在质子传导膜的应用中。研究发现，冷压烧结样品在经过热处理后，其总电导率达到了1.48×10^?4 S/cm，与传统烧结样品在相同温度下的电导率相当。然而，冷压烧结样品中仍存在Zr富集的BZY次生相和NiO、Y₂O₃等杂质相，这些相可能对电导率产生一定的负面影响。尽管如此，通过优化冷压烧结和热处理的温度，可以有效减少这些杂质相的影响，从而提升材料的电导率。

### 烧结温度与杂质相的影响

研究中还发现，烧结温度对杂质相的形成和分布具有显著影响。在冷压烧结温度为150°C的样品中，由于较低的热处理温度，Zr富集的BZY次生相未能完全溶解，导致其在材料中以较低的密度存在。这种次生相的存在可能会对材料的电导率和机械性能产生一定影响。相比之下，传统烧结样品由于较高的烧结温度，能够使Ni和Y完全溶解到晶格结构中，从而减少杂质相的出现，提高材料的整体性能。然而，这种高烧结温度也带来了较高的能耗和可能的Ba蒸发问题。

### 微观结构的均匀性与性能

在冷压烧结样品中，由于烧结温度较低，材料的致密化过程可能存在一定的不均匀性。例如，在冷压烧结温度为150°C和250°C的样品中，观察到了部分区域的高孔隙率和低密度现象。这可能与Y₂O₃的分布不均有关。在这些样品中，Y₂O₃倾向于聚集在某些区域，从而影响了材料的均匀致密化。然而，通过热处理，这些杂质相的部分溶解有助于提高材料的性能。此外，冷压烧结样品的孔隙率明显低于传统烧结样品，这有助于提高其导电性能。

### 结论与展望

本研究通过冷压烧结和后续热处理的结合，成功制备了具有优异机械性能和电导率的BZCY721陶瓷膜。与传统烧结方法相比，冷压烧结在降低烧结温度和时间的同时，能够有效减少Ba的蒸发，从而提升材料的性能。然而，冷压烧结过程中仍存在一定的挑战，如杂质相的形成和微观结构的不均匀性。因此，未来的研究应进一步探索如何优化冷压烧结参数，以减少这些杂质相的影响，并提高材料的均匀性。此外，冷压烧结技术在大规模生产中的应用仍需进一步验证，以确保其在实际应用中的可行性和经济性。总的来说，冷压烧结为高性能陶瓷膜的制备提供了一种有前景的替代方案，值得在未来的材料研究和工程应用中进一步推广。