激光切割工藝對致密功能陶瓷機械強度的影響研究

林曉平

摘要：為了使致密功能陶瓷在機械載荷下工作，陶瓷必須提供足夠的機械強度。為了研究激光切割加工（裝配前）對致密功能陶瓷機械強度的影響，進行了三點彎曲試驗和掃描電鏡觀察。對比研究了拋光時間和不同型號砂紙對陽極支撐致密功能陶瓷機械強度的影響。結果表明，在激光切割后不拋光的情況下，陶瓷樣品抗彎強度為218.5MPa，而用180砂紙研磨樣品9分鐘，可以獲得617.3MPa的機械性能，這是由于激光切割工藝使致密陶瓷邊緣產生許多微小的裂紋。

關鍵詞：致密功能陶瓷;激光切割;機械強度;微裂紋

0? 引言

隨著人們對環境和能源安全的日益關注，對開發先進綠色環保發電技術的需求也越來越大[1-4]。與傳統的能量轉換系統相比，致密功能陶瓷（SOFCs）具有效率高、模塊化、低NOx和SOx排放的優點。在SOFC研究領域，近年來陽極支撐設計得到了廣泛的研究。它們表現出高功率密度，機械強度強，相對容易擴大規模，并允許降低工作溫度[4]。為了提高SOFC的效率，需要對每個構件的厚度進行優化。多孔陽極支撐體厚度約100～200μm容易支持薄的電解質和致密功能陶瓷的陰極[5]。在裝配和正常運行過程中，金屬陶瓷陽極應能在一定程度上承受機械載荷，防止各種應力引起電池開裂。因此，陽極支撐層的機械穩定性在陽極支撐電池設計中非常重要，特別是在大規模應用中。本研究對陶瓷激光切割技術進行了探討。為了提高電池的機械強度，每一種工藝都需要根據拋光時間和砂紙模型進行優化。因此，還討論了拋光特性與機械強度之間的關系。

1? 實驗

1.1 陶瓷制備

多孔NiO-YSZ陽極支撐電池是通過流延工藝制備而成。陶瓷材料為NiO和YSZ粉體（3Y，Tosoh，Japan），NiO-YSZ含量為56wt%。分散劑和陶瓷材料的乙醇基陶瓷漿料（A料）在滾筒球磨罐中研磨24小時，再加入粘結劑溶液后繼續研磨24小時，調整到一定粘度后，脫泡靜止后，通過流延機制備了坯體陽極片。將上述陽極支撐坯體上噴涂NiO-YSZ漿液制備陽極功能層，再將YSZ（8Y，Tosoh， Japan）漿液噴涂在功能層上制備陽極支撐電解質層。最后將坯體電池在1350℃下燒結4h。

1.2 樣品制備，拋光和抗彎強度測試

抗彎強度測量標本尺寸為4mm×0.4mm×36mm，是通過坯體在1350℃，4h燒結后激光切割而成。為了獲得平均抗彎強度，標本的數量需要超過10個，每個試樣的厚度是由螺旋測微器標定，采用三點彎曲試驗法測定其抗彎強度。根據ASTM測試方法C1161，使用Instron機器（型號5567）對試件進行測試，十字頭速度為0.3mm/min。對于拋光的斷面，樣品用100到1000粒砂紙研磨（1～9min）。

1.3 SEM表征

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對其微觀結構，激光切割后的工件表面及拋光后的斷面進行觀察與研究。

2? 結果分析

2.1 機械強度

不同參數激光切割后的力學測試結果如圖1所示。影響因素分為四類：脈沖寬度、頻率、電流和處理速度。激光切割后試樣的彎曲強度參數B高于A，可以看出激光切割后較高的脈沖寬度減小了缺陷。從A和D可以直觀的看出，樣品的抗彎強度隨著頻率的降低而增大。為了研究激光切割過程中電流的變化，結果如圖1中的A、E、F所示。結果表明，使用適當的電流（90A）可以達到最大的119.95MPa。加工速度也是激光切割的重要因素。從A和C可以看出，隨著處理速度的降低，樣品的機械強度增加。

用不同型號砂紙制備的拋光試樣的彎曲強度如圖2所示。在100#和1000#的型號砂紙打磨之間沒有觀察到機械強度的顯著增加。主要原因是拋光時間短。因此，樣品上仍然存在微小的裂紋。與其他型號的砂紙相比，180#的最大機械強度為311.8MPa。說明砂紙粒徑適中，機械強度值較好。用180#砂紙進行不同拋光時間的機械強度測試結果如圖3所示。從直觀上可以看出，隨著拋光時間的增加，強度呈指數增長。結果表明，在激光切割后不拋光的情況下，用180砂紙研磨樣品9min，可以獲得比617.3MPa更好的機械性能。

研究表明，激光切割工藝參數對電池的機械強度影響是至關重要的。這意味著激光切割后的拋光或使用凈尺寸的成型是非常重要的，特別是在大規模應用之前的堆棧組裝和正常運行。只有這樣，電池才有足夠的機械強度來防止各種應力引起的裂紋。

2.2 SEM分析

圖4分別顯示了激光切割后的截面和表面SEM分析結果。可以看出，截面上有許多細小的裂紋，這些裂紋導致了機械強度的降低。拋光試樣的SEM顯微照片顯示其橫截面發生了顯著變化（圖5）。顯微照片表明，拋光可以減少微小的裂紋，致使樣品的力學強度提高。

3? 結論

為了使致密功能陶瓷在機械載荷下正常運行，包括殘余制造應力、裝配、熱不匹配、離子活性梯度或操作載荷，電池組件必須提供足夠的機械強度。在陽極支撐電池設計中，需要陽極層來提供必要的機械強度。為了研究激光切割（裝配前）對電池機械強度的影響，進行了三點彎曲試驗和掃描電鏡觀察。比較研究了拋光時間和不同型號砂紙對陽極支撐致密功能陶瓷機械強度的影響。結果表明，在激光切割后不拋光的情況下，樣品抗彎強度為218.5MPa，而用180砂紙研磨樣品9min，可以獲得617.3MPa的機械性能。這是由于激光切割造成許多微小的裂紋。

參考文獻：

[1]J. Hall， R. Kerr， J. Cleaner Prod. 11 （2003）459.

[2]A.B. Stambouli， E. Tracersa， Renew. Sust. Energy Rev. 6（2002）433.

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[4]Sun-Dong Kim， Jong-Jin Lee， Hwan Moon， Sang-Hoon Hyun， Jooho Moon， Joosun Kim， Hae-Weon Lee. J. Power Sources 169（2007）265-270.

[5]D.Simwonis， H. Thu？魬len， F.J. Dias， A. Naoumidis， D. Sto？魬ver. J. Materials Processing Technology. 92-93（1999）107.