林曉平

摘要：為了使致密功能陶瓷在機(jī)械載荷下工作，陶瓷必須提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度。為了研究激光切割加工（裝配前）對致密功能陶瓷機(jī)械強(qiáng)度的影響，進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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(jī)械強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，在激光切割后不拋光的情況下，陶瓷樣品抗彎強(qiáng)度為218.5MPa，而用180砂紙研磨樣品9分鐘，可以獲得617.3MPa的機(jī)械性能，這是由于激光切割工藝使致密陶瓷邊緣產(chǎn)生許多微小的裂紋。

關(guān)鍵詞：致密功能陶瓷;激光切割;機(jī)械強(qiáng)度;微裂紋

0? 引言

隨著人們對環(huán)境和能源安全的日益關(guān)注，對開發(fā)先進(jìn)綠色環(huán)保發(fā)電技術(shù)的需求也越來越大[1-4]。與傳統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(yōu)點(diǎn)。在SOFC研究領(lǐng)域，近年來陽極支撐設(shè)計得到了廣泛的研究。它們表現(xiàn)出高功率密度，機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)，相對容易擴(kuò)大規(guī)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(gòu)件的厚度進(jìn)行優(yōu)化。多孔陽極支撐體厚度約100～200μm容易支持薄的電解質(zhì)和致密功能陶瓷的陰極[5]。在裝配和正常運(yùn)行過程中，金屬陶瓷陽極應(yīng)能在一定程度上承受機(jī)械載荷，防止各種應(yīng)力引起電池開裂。因此，陽極支撐層的機(jī)械穩(wěn)定性在陽極支撐電池設(shè)計中非常重要，特別是在大規(guī)模應(yīng)用中。本研究對陶瓷激光切割技術(shù)進(jìn)行了探討。為了提高電池的機(jī)械強(qiáng)度，每一種工藝都需要根據(jù)拋光時間和砂紙模型進(jìn)行優(yōu)化。因此，還討論了拋光特性與機(jī)械強(qiáng)度之間的關(guān)系。

1? 實(shí)驗(yàn)

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(jié)劑溶液后繼續(xù)研磨24小時，調(diào)整到一定粘度后，脫泡靜止后，通過流延機(jī)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(zhì)層。最后將坯體電池在1350℃下燒結(jié)4h。

1.2 樣品制備，拋光和抗彎強(qiáng)度測試

抗彎強(qiáng)度測量標(biāo)本尺寸為4mm×0.4mm×36mm，是通過坯體在1350℃，4h燒結(jié)后激光切割而成。為了獲得平均抗彎強(qiáng)度，標(biāo)本的數(shù)量需要超過10個，每個試樣的厚度是由螺旋測微器標(biāo)定，采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)法測定其抗彎強(qiáng)度。根據(jù)ASTM測試方法C1161，使用Instron機(jī)器（型號5567）對試件進(jìn)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(jié)構(gòu)，激光切割后的工件表面及拋光后的斷面進(jìn)行觀察與研究。

2? 結(jié)果分析

2.1 機(jī)械強(qiáng)度

不同參數(shù)激光切割后的力學(xué)測試結(jié)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(qiáng)度參數(shù)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(qiáng)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(jié)果如圖1中的A、E、F所示。結(jié)果表明，使用適當(dāng)?shù)碾娏鳎?0A）可以達(dá)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(jī)械強(qiáng)度增加。

用不同型號砂紙制備的拋光試樣的彎曲強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度為311.8MPa。說明砂紙粒徑適中，機(jī)械強(qiáng)度值較好。用180#砂紙進(jìn)行不同拋光時間的機(jī)械強(qiáng)度測試結(jié)果如圖3所示。從直觀上可以看出，隨著拋光時間的增加，強(qiáng)度呈指數(shù)增長。結(jié)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(jī)械性能。

研究表明，激光切割工藝參數(shù)對電池的機(jī)械強(qiáng)度影響是至關(guān)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(guī)模應(yīng)用之前的堆棧組裝和正常運(yùn)行。只有這樣，電池才有足夠的機(jī)械強(qiáng)度來防止各種應(yīng)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(jié)果?？梢钥闯觯孛嫔嫌性S多細(xì)小的裂紋，這些裂紋導(dǎo)致了機(jī)械強(qiáng)度的降低。拋光試樣的SEM顯微照片顯示其橫截面發(fā)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(xué)強(qiáng)度提高。

3? 結(jié)論

為了使致密功能陶瓷在機(jī)械載荷下正常運(yùn)行，包括殘余制造應(yīng)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(jī)械強(qiáng)度。在陽極支撐電池設(shè)計中，需要陽極層來提供必要的機(jī)械強(qiáng)度。為了研究激光切割（裝配前）對電池機(jī)械強(qiáng)度的影響，進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)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(jī)械強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，在激光切割后不拋光的情況下，樣品抗彎強(qiáng)度為218.5MPa，而用180砂紙研磨樣品9min，可以獲得617.3MPa的機(jī)械性能。這是由于激光切割造成許多微小的裂紋。

參考文獻(xiàn)：

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