一、实验题目:ZnO层状介电材料的研究与制备 二、实验目的:
(1)、使用溶胶一凝胶法制备出氧化锌粉体;
(2)、采用传统的干压成型方法制备氧化锌介电陶瓷材料; (3)、对材料进行电性能表征; 三、实验仪器和药品
电子天平、烧杯、玻璃棒、加热磁力搅拌器、抽真空泵、科晶箱式炉、坩埚、玛瑙研钵、液压式压片机、Zn(CH3COO)2·2H2O、乙二醇甲醚、乙醇胺、醋酸、去离子水、PVA 四、实验原理
介电材料(dieleetricmaterial),又被称为电介质材料,是一种电的绝缘材料,
介电材料主要具有介电、压电、铁电等性质,已经被广泛的应用于电子信息技术的各个领域。所有的绝缘体都可以被看做为电介质。介电材料具有电极化能力,极化时正负电荷中心不重合,从而起到存储和传递电荷的作用。
本文使用Zn2+浓度为0.5mol/L和1.0mol/L的溶液使用溶胶一凝胶法制备出了氧化锌粉体,对溶胶一凝胶法的机理和工艺条件进行了研究,采用传统的干压成型方法制备出氧化锌介电陶瓷材料。对制备的材料在1300℃下进行烧结,得到了晶粒发育完好的致密的陶瓷,分析了生产出来的材料在表面形貌、电学性能等方面的差异,对比了两种浓度的电介质材料的电性能。
对溶剂和粘结剂、稳定剂等添加剂的作用进行了研究,确定溶剂和添加剂。最终确定PVA为粘结剂,乙二醇甲醚为溶剂,乙醇胺为稳定剂,醋酸为催化剂。确定了浆料中溶剂和添加剂的含量。
溶胶—凝胶法的基本过程:将金属醇盐或无机、有机盐溶解在溶剂之中,醇盐与溶剂之间发生水解或醇解反应,生成物再聚集成尺寸很小的粒子,形成溶胶,溶胶干燥后生成凝胶。溶胶—凝胶法可以分为水溶液溶胶—凝胶法和醇盐溶胶凝胶法。
水溶液溶胶—凝胶法的反应方程式为:
最终形成了溶胶,获得反应产物。 五、实验过程
1、ZnO粉体的制备:本实验采用溶胶-凝胶法制备氧化锌粉体,溶胶-凝胶法的反应物一般为醇盐、无机盐、金属氧化物、氢氧化物等。本论文采用的原料为二水合乙酸锌[Zn(CH3COO)2·2H2O],乙二醇甲醚作为溶剂,加入乙醇胺作为稳定剂。
称取2.2163 g(4.4230 g)的二水合乙酸锌,溶解于15 ml乙二醇甲醚溶剂之中,保证溶液中的锌离子浓度为0.5mol/L(1 mol/L),在溶液中加入与醋酸锌的摩尔数相同的乙醇胺作为稳定剂,再加入2ml醋酸作为溶胶-凝胶反应的催化剂,加入5滴去离子水。将溶液在70℃水浴条件下搅拌两个小时,使醋酸锌完全溶解,得到淡黄色的透明澄清的氧化锌溶胶。将氧化锌溶胶静置24小时备用。将氧化锌溶胶放入干燥箱中加热到200℃,干燥6小时,得到氧化锌固体。再将氧化锌固体放到坩埚中,在400℃下锻烧2h。在800℃下对ZnO粉体进行预烧,将预烧后产物研磨4h,得到氧化锌粉体。 2、ZnO介电材料的制备:
本实验干压成型法制备氧化锌介电材料,将原材料球磨后得到所要求尺寸的
分体,粉体与溶剂混合,加入粘结剂,以保粉体粘度。对粉体进行研磨和混合,得到均匀的混合粉体。经压片、烧结制成电容器陶瓷。
3、制备氧化锌介电陶瓷流程图:
六、实验数据及处理
1、使用电化学工作站对材料进行电学性能表征 (1)、在室温下不同频率下的电容(C)和阻抗(D): 室温(20 ℃)下 不同频率(kHz) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2520151050102030405060708090样品2(D)100样品1(0.5 mol/L) C 12.031 pF 18.947 pF 16.799 pF 4.252 pF 12.459 pF 10.894 pF 2.987 pF 9.680 pF 2.413 pF 3.275 pF D 8.392 0.433 0.494 1.339 0.067 0.070 0.527 0.514 1.011 1.081 样品2 (1.0mol/L) C 2.779 pF 2.739 pF 2.695 pF 19.531 pF 21.416 pF 21.954 pF 21.292 pF 22.611 pF 2.818 pF 21.224 pF D 0.019 0.049 0.049 2.378 2.745 2.116 2.038 4.386 0.049 1.479 样品1(C)样品1(D)样品2(C)
(2)、在相同频率下不同温度下的电容(C)和阻抗(D):
5 kHz 不同温度(℃) 50 70 90 110 130 1400120010008006004002000-20050样品1(C(pF))70样品1(D)90110样品2(C(PF))130样品2(D)样品1 (0.5 mol/L) C 1.118 pF 4.937pF 30.596 pF 0.066 nF 1.244 nF D 0.092 0.089 16.820 29.930 2.330 样品2 (1.0 mol/L) C 28.856 pF 3.614 pF 0.272 pF 19.713 pF 1.099 pF D 2.293 7.759 -0.330 1.020 0.088 2、使用扫描电子显微镜分析ZnO粉体和ZnO介电陶瓷的显微结构,可以观察到样品的晶粒尺寸、形状和材料的表面形貌、气孔等特征; 3、使用X射线衍射技术对样品进行物相结构分析。 七、总结
(1)、溶胶凝胶法可以在较低温度下制备出陶瓷粉体,工艺简单,成本较低,粉体具有粒径分布均匀、化学活性大等特点。尤其对于多组分的材料的制备而一言,溶胶-凝胶法制备出的产品组分均匀,是首选的方法;
(2)、溶胶凝胶法制备的粉体在液相反应、干燥和锻烧过程中需要对工艺参数进行严格的控制,防止使粉体由于尺寸较小,颗粒之间的表面能增大而发生团聚,从而导致陶瓷材料的气孔率增大,增加烧结体内部的缺陷,导致材料性能的下降; (3)、加入少量的去离子水是为了加速水解聚合反应;
(4)、对溶胶进行干燥和锻烧可以去除溶胶中的多余的有机物和杂质,得到纯净的氧化锌粉料;
(5)、将氧化锌溶胶放入干燥箱中加热到200℃,干燥6小时,可以排除其中多余的水分和有机物,得到氧化锌固体;
(6)、氧化锌固体放到坩埚中,在400℃下锻烧2h,可以去除其中的结晶水和其他杂质;
(7)、在800℃下对ZnO粉体进行预烧,可以消除材料内应力,排除残余的杂质和二氧化碳等其他气体,减少烧结时材料的收缩,提高烧结后材料的致密度; (8)、对于ZnO电容器陶瓷来说,要对烧结的升温速度、烧结温度和保温时间进行控制,以达到最佳的烧结效果。如果烧结时升温速度过快,陶瓷内部会产生裂纹,导致烧结后材料整体性能的下降;
(9)、在200℃烘干时,要注意乙二醇甲醚的处理,在有抽真空设备的马弗炉或者在通风橱里面加热,防止中毒,一旦室内泄露有乙二醇甲醚蒸汽,要注意疏散室内人员到通风处,并且室内进行通风,使有毒气体扩散;
(10)、高温箱式炉在运行过程中,要注意在停止运行,温度降至较低后,方可打开炉门,防止炉内耐火材料骤冷断裂。
实验三、燃料电池实验报告
一、实验题目:(Ce0 .8RE0 .2)1 –xMxO2 -δ固体电解质的合成及其电性质 二、实验目的:
(1)、使用溶胶一凝胶法合成(Ce0.8RE0.2)1 -xMxO2-δ(RE :稀土,M :碱土)系列固体电解质;
(2)、学会常用的测电性质的方法,对材料进行电性能表征; (3)、研究碱土及其稀土掺杂对电性质的影响。 三、实验仪器和药品
电子天平、烧杯、玻璃棒、加热磁力搅拌器、科晶箱式炉、坩埚、玛瑙研钵、液压式压片机、玻璃皿、pH试纸、Ce(NO3)3,Ca(NO3)2和Sm(NO3)3、去离子水、PVA
四、实验原理
固体电解质以其优越的离子导电性用于传感器、电池、透氧(或氢)膜等, 在能源、冶金、化工、环保等领域有着广泛的应用前景。固体氧化物燃料电池(SOFC)以发电效率高、对燃料适应性宽、无腐蚀、全固化、积木性强、极低的NOx , SOx和噪声排放等优良特性而引人注目。钇稳定的氧化锆(YSZ)是传统的SOFC电解质,其工作温度必须在1000℃左右才能达到足够的离子导电率,如果SOFC工作温度降至800℃, 其寿命可望延长3倍, 且可降低作和材料的成本。
降低SOFC工作温度的关键问题是减小固体电解质的电阻,解决这个问题有两个主要途径:一是制备薄膜型的YSZ固体电解质;二是研制开发新型的中温固体电解质。
目前, 对Bi2O3-RE2O3,CeO2-RE2O3、稀土掺杂的BaCeO3、碱土掺杂的LaGaO3 (或NdAlO3)等体系进行了较多的研。CeO2-RE2O3体系中掺杂少量的碱土或碱金属氧化物,调整掺杂离子的平均半径及氧缺陷浓度,可以有效地提高CeO2基固体电解质的性能。
本工作利用溶胶-凝胶法合成温度低、可以减小或消除晶界电阻的优点,合成了(Ce0.8RE0.2)1 -xMxO2-δ系列固体电解质,系统研究了碱土及稀土掺杂对其电性质的影响。 五、实验过程
按照目标产物的质量,计算所需要的实验药品的质量。混合3.022gCe(NO3)3,0.1gCa(NO3)2和0.779gSm(NO3)3 ,加入4.686g柠檬酸和0.3g醋酸,以氨水调至pH≈8。使用磁力搅拌加热器,在70℃水浴蒸发混合溶液2h得到透明溶胶。继续蒸发2h得到凝胶。将所得到的凝胶在200℃烘干6h,得到固体混合物。在玛瑙研钵中研磨1h,得到(Ce0.8RE0.2)1 -xMxO2-δ粉体。在900 ℃煅烧6 h,把得到的粉体再次进行研磨,研磨4h。使用液压压片机把(Ce0.8RE0.2)1 -xMxO2-δ粉体压制成型,于1400℃烧结10 h,自然退火至室温。
六、实验数据及处理
1、使用电化学工作站对材料进行电学性能表征;
2、使用X射线衍射仪测定样品的XRD谱,对样品进行物相结构分析; 3、利用ESCALAB-MKII型电子能谱仪测定样品的XPS谱。 由于样品质地较脆、易碎,烧结完成后最终未得到完好样品。 七、总结
(1)、要选择合适的药品剂量,不宜过多;
(2)、掺杂碱土氧化物后吸附氧浓度明显增大,氧空位增多,电导率和氧离子迁移数增大,改善了CeO2基固体电解质的性能;
(3)、使用氨水调制pH时,应该在通风橱中进行,防止人体呼吸器官粘膜损伤; (4)、使用压片机要确定压片大小和压力大小的关系,本实验中压制直径1 cm,厚度1 mm的圆片,使用6-7MPa即可;
(5)、在高温烧结中,要选择合适的坩埚,发现有较多坩埚因为在不合适温度下
使用损坏或者污染。
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