稀土氧化物RE2O3(RE=La,Ce,Gd,Yb)摻雜氧化釔穩定氧化鋯氣凝膠相穩定性與晶粒生長分析

于長清，余悠然，趙英民，巢雄宇，袁武華

(1.航天特種材料及工藝技術研究所，北京 100074;2.湖南大學材料科學與工程學院，長沙 410082)

0 引 言

氧化鋯陶瓷(ZrO2)具有熱膨脹系數高、導熱率低、熱穩定性優異和離子導電性高等特點，因此被廣泛用于熱障涂層、電解質、固體氧化物燃料電池(SOFC)等高溫應用領域[1-4]。ZrO2具有三種晶型：低溫的單斜相、中溫的四方相和高溫的立方相。三種晶型之間可以互相轉變，當溫度升高至1 170 ℃左右，ZrO2的晶體結構由單斜相轉變為四方相，并伴有7%～9%的體積收縮，這是ZrO2陶瓷高溫下產生破壞的主要原因[5-6]。當添加穩定劑以后，四方相可以在常溫下穩定，因此在加熱后不會發生體積的突變，大大拓展了氧化鋯的應用領域，其中常用的穩定劑是氧化釔(Y2O3)。但氧化釔穩定的氧化鋯(YSZ)材料僅能應用于1 200 ℃以下的環境中，當溫度超過1 200 ℃(接近其耐久性和溫度極限)時會發生晶粒的明顯生長和相變[7]。

因此，研究人員更多地關注具有更高溫度穩定性的ZrO2材料的研發。研究發現在YSZ材料中選擇穩定劑可有效抑制ZrO2的相變和晶體生長[8]。例如，Jones等[9-10]發現Sc2O3和Y2O3共同摻雜的ZrO2比YSZ具有更好的四方相穩定性；Guo等[11]研究了Sc2O3和Gd2O3共摻雜ZrO2的四方相穩定性，結果表明其穩定性隨著Sc2O3含量的增加而增加。

目前，很少有關于無裂紋、塊狀稀土元素摻雜氧化釔穩定氧化鋯多元氣凝膠(RE-YSZ)的報道。因此，本文選取了不同種類的稀土氧化物(RE2O3,RE=La，Ce，Gd，Yb)采用溶膠-凝膠法和超臨界流體干燥法制備了RE2O3摻雜塊狀YSZ氣凝膠，溶膠中的膠體粒子在一定條件下互相連接，形成空間骨架結構，結構空隙中充滿了作為分散介質的氣體。……