梯度载流子引入强化质子导电陶瓷的力学性能研究

本研究针对质子导电陶瓷（如BZY）机械强度不足的问题，通过梯度水合策略在表面形成压缩应力层，使材料强度提升1.9倍。团队系统探究了水蒸气分压、温度与时间对BZY水合行为的影响，揭示了晶格常数梯度变化与力学性能的关联性，为燃料电池电解质材料设计提供了新思路。该成果发表于《Materials Science and Engineering: B》，兼具学术价值与应用潜力。

　　

研究背景与意义
固体氧化物燃料电池(SOFC)因高温运行导致的材料退化问题长期困扰业界，而质子导电燃料电池(PCFC)因其适中的工作温度和质子传导机制成为理想替代方案。钇掺杂锆酸钡(BaZr_0.8
Y_0.2
O₃
, BZY)作为PCFC核心电解质材料，虽具备优异质子电导率(0.01 S/cm@450°C)，但其机械强度仅为传统YSZ的60%，在电池组装过程中易发生脆性断裂。现有通过异质材料复合的强化方法会牺牲电化学性能，且增加回收成本。如何在不引入外来组分的前提下提升BZY力学性能，成为突破PCFC技术瓶颈的关键。

研究方法与技术路线
研究团队采用行星式球磨法制备BZY粉体，经压制烧结获得陶瓷样品。通过控制水蒸气分压(0.023-0.12 atm)、温度(600-800°C)和时间(10-120 min)构建梯度水合层，利用X射线衍射分析表面/浅表层/深层晶格常数变化，结合三点弯曲试验和维氏硬度测试评估力学性能，同步监测质子电导率以验证功能特性保留。

研究结果

1. 水合条件优化：在600°C、0.12 atm水蒸气下处理40分钟，样品抗弯强度达229 MPa（提升28%），极端条件下最高提升1.9倍。高温(800°C)处理虽加速水合但强度增幅有限，表明低温梯度水合更利于形成有效压缩层。
2. 力学性能机制：维氏硬度随载荷降低而升高的反常现象，证实表面存在压缩应力层。晶格常数分析显示，表面与浅表层差异越大（Δa=0.0032 nm）、浅层与深层差异越小（Δa=0.0008 nm）时，强度提升越显著，符合梯度应力强化理论。
3. 功能特性保留：强化后的BZY质子电导率与温和水合样品相当，证明该方法未损害其核心电化学性能。

结论与展望
该研究创新性地利用BZY水合过程中的晶格膨胀特性（BaZrO₃
→BaZr_0.8
Y_0.2
O_3-δ
(OH)_δ
），通过精确控制水合动力学在表面构建梯度压缩层，实现了"自增强"效果。这种非复合型强化策略避免了传统方法导致的电导率下降问题，为PCFC电解质材料的可靠性提升提供了新范式。未来研究可进一步探索水合层厚度与应力分布的定量关系，以及长期运行中的稳定性表现。论文成果由日本学术振兴会(JSPS)资助（项目号JP21H0162313），第一作者Takaya Ueno与通讯作者Akira Kishimoto等共同完成。