Керамический электропроводный материал на основе диоксида циркония

(71) Восточный научно-исследовательский и проектный институт огнеупорной промышленностиИзобретение относится к огнеупорной промышленности и может быть . ,использовано для изготовления твердых электролитов и реэистивных электронагревателей из керамического электропроводного материала на осно-. ве диоксида циркония.Известен высокоогнеупорный электро проводиый материал на основе диоксида циркония с добавками оксидов иттрия и иттербия, имеющий следующее соотношение компонентов, мол,Х:Диоксид циркония ОсноваОксид иттрия 3-6Оксид иттербия 3-6Диоксид циркония ОстальноеНедостатком такого материала является низкая электронроводность ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПо ИааРЕТЕНИЯМ И ВНРЫТИЯМПРИ ГННТ СССРОПИСАНИЕ ИЗ. НЫИ МАТЕРЦИРКОНИЯ си скандия,тем, что, стропроводноинтервале тдополнительбия при слепонентов, мОксид итОксид ск,Оксид итДиоксид РАМИЧЕСКИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОД ИАЛ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДАдобавками оксидов нттрияо т л и ч а ю щ и й с яцелью повьппения элексти и ее стабильности вемператур. 800-10000 С, онно содержит оксид иттердующем соотношении комол.Х:трия 2-5андия 3тербия 4циркония, Остальное и низкая ее стабильность,в интервале температур 800-1000 С. Максимальная электропроводность этого материала при 900 С не превышает 810 ф см х х см 1, причем после 300 ч выдержки при 900 С эта величина уменьшается на 15-203,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 иттрия40 55 скандия, имеющий следующее соотношение компонентов, мол. .:Диоксид циркония ОсноваОксид иттрия 3,0-4,5Оксид скандияДиоксид циркония ОстальноеЭлектропроводность такого материала в интервале температур 8001000 фС более высока, чем у аналога,однако также является недостаточновысокой, что приводит к большим затратам электроэнергии при использовании его в качестве твердых электролитов тЬпливных элементов и электролизеров и необходимости разогревадо температур выше 1000 фС посторонним источником тепла при использовании в качестве электронагревателейсопротивления.20Кроме того, известный материалне обладает достаточно высокой стабильностью электропроводности, хотяона н вьппе, чем у аналога," что является причиной изменения электрических характеристик топливных элементови электролизеров, приводящего к уменьшению их коэффициента полезного действия,Целью изобретения является повышение электропроводности и ее стабильности в интервале температур800-1000 С.Поставленная цель достигаетсятем, что электропроводный материална основе диоксида циркония с добавками оксидов иттрия и скандия дополнительно содержит оксид иттербия приследующем соотношении компонентов,.мол. :Оксид иттрия 2-5Оксид скандия 1-3Оксид иттербия . 1-4Диоксид циркония ОстальноеНеаддитивное действие добавкиоксида иттербия, выражающееся в повышении электропроводности и еестабильности, связано с комплекснымучастием всех трех добавок,в формировании структуры твердого растворана основе диоксида циркония 1 имеющего высокую подвижность ионов кислорода и вместе с тем устойчивость кобразованию, комплексов анионнаявакансия - примесный катион, являющйхся 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 требуемогосостава (см. табл.) готовили совместным осаждением из раствора хлоридоваммиаком. Порошки после прокалки при1300 С растирали в ступке из диоксида циркония, Из приготовленныхмасс прессовали балочки размером5 х 5 х 35 мм при давлении прессования250 МПа. Отпрессованные балочкиобжигали в печи с нагревателями ифутеровкой из диоксида циркония воатмосфере воздуха при 1900 С в течение 4 ч. На торцы обожженных балочек наносили платиновую пасту, которую вжигали при 400 С в течение2 ч. Полученные таким образом образцы имели плотность 92-967 от теоретически возможной и предел прочности при изгибе 150-200 ИПа,Злектропроводность образцов какначальную, так и после выдержкипри 800-1000 С в течение 300 ч определяли двухконтактным методом намосте переменного тока при частоте3 КГц на воздухе при температуре800-1000 С.Результаты измерений приведеныв таблице (ошибка измерения электрог Упроводности составила +0,110 смхсм ).Из данной таблицы видно, чтопредложенный высокоогнеупорный элек-тропроводный материал. (составы1-6) имеет электропроводность и еестабильность в интервале температур800-1000 С более высокую, чемизвестный.Наибольшей электропроводностьюобладают составы, содержащие оксидиттербия в количестве 0,5-6 мол.й,а также состав В 14, соответствующий прототипу. В то же время наибольшей стабильностью электропроводности,т.е, способностью сохранять исходное значение электропроводности придлительных изотермических выдержках, обладают составы, содержащие1-4 мол.7. оксида иттербия,Для твердых электролитов, работающих в электрохимических устройствах,наиболее важной характеристикой наряду с высокой электропроводностьюявляется ее стабильность, поэтомуоптимальной областью составов твер1 93 2 90 3 92 4 92 13,9 1 О12,6 10з, ю140.О3,4 оэ,г -о-фО,Я О90 1010,9. 101,г о1,о о1 а,г 1 О-а10,8 О2, Юта г 4,4 о251 О25,1 1020,6 1022,4 10гэ, О21,2,о22,9 10гг,в а24,4 10 6,4 1 О 6,6 1 О 6610 6 б 1 О, 5,4 Ю, 4,2 Ю2 2 г 3 5 . 2 1 5 в 5,4 О5,1 1 О5,2105,2 105,4106,0 1 О1 О 90 11 90 14 90 зз3,5 6 ветствуют составуврототаа Сост ектор М ппова Техред Л.Ол т ска Подписное зобретениям и открытиям Раушская наб., д, 4/5аказ 1058 НИИПИ Госуд Тираж 498 ственного комитета по и 113035, Москва, Ж, ГКНТ С Производственно-издательский комбинат "Патент", г.ужгород, ул. Гагарина, 10 5 99 дых растворов в системе Ег 0- У 20 зБсг 05 - 13208 следует счйтать область составов, указанных в Формулеизобретения, 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 в 10 Ж, в то время как у предложенного высокоогнеупорного электро- проводного материала колебания электропроводности не превысили 1-. 1,5 Х, т,е. ошибки эксперимента. Применение предложенного материала для изготовления электронагревателей сопротивления позволит снизитьтемпературу их зажигания на 50-100 С,что дает возможность испольэоватьдля предварительного нагрева этихэлектронагревателей металлическиеэлектронагреватели, более надежныеа 10 чем применяемые в настоящее времякарбидкремниевые.В случае использования предложенного материала в качестве твердыхэлектролитов топливных элементов и 15 электролизеров температура эксплуатации этих устройств снижается нао50 С, а их надежность и долговечностьповышается.Таким образом, предложенный мате риал обладает повышенной электропроводностью и стабильностью при температурах 800-1000 С.