The boundaries and their impact on properties of zirconia electrolyte

Abstract

Interfaces and their complexions created in the zirconia 1Ce10ScSZ ceramic electrolyte and altered by three powder types and sintering temperatures were studied via their effect on mechanical behavior and electrical conductivity. Two boundary complexions, which exist and developed between subgrains and grains with sintering temperature were observed. The transition between boundary categories, which was defined as the boundary complexion transition of the second kind, occurs in both very pure 1Ce10ScSZ ceramics and in ceramics of technical purity, powder of which is contaminated with rather large amounts of silica and titania. The ceramics contaminated with rather large amount of silica and alumina does not reveal any complexion transitions. Joint analysis of data obtained with electron microscopy and related techniques, mechanical tests for strength, scanning electron fractography and impedance spectroscopy of structural constituents of electrical resistance has given a lot of information on the effect of boundaries and their complexions on properties of electrolyte where mechanical behavior is as important as their conductivity.

Межі та їхні комплекси в керамічному електроліті 1Ce10ScSZ, які були утворені і змінювані застосуванням трьох типів вихідних порошків і різних режимів спікання, вивчені через їхній вплив на механічну поведінку та електропровідність. Спільний аналіз даних, отриманих методами електронної мікроскопії та іншими, пов’язаними із нею, методами механічних випробувань на міцність, скануючої електронної фрактографії та імпедансної спектроскопії структурних складових електричного опору, надав багато інформації щодо впливу меж та їхніх комплексів на властивості електроліту, для якого механічна поведінка є настільки важливою, як і його провідність. Спостережено корелятивний вплив меж, які визначаються вихідними типами порошків та температурою їхнього спікання, на механічну поведінку і електричну провідність електроліту. Визначено два типи межевих комплексів, які існують і розвиваються між субзернами та зернами з ростом температури спікання. Перехід між цими категоріями меж, що було названо переходом межевих комплексів другого роду, відбувається як в хімічно чистій кераміці 1Ce10ScSZ, так і в кераміці технічної чистоти, порошки якої збагачені досить значною кількістю оксидів кремнію та титану. В кераміці 1Ce10ScSZ з великим вмістом оксидів кремнію та алюмінію помітних переходів не виявлено.

Образованные в керамическом электролите 1Ce10ScSZ границы и их комплексы, измененные посредством контроля температуры спекания с использованием исходных порошков трёх типов, исследовали, анализируя их влияние на механическое поведение и электропроводность. Комплексная обработка данных, полученных методами электронной микроскопии и дригими, связаннными с ней, методами механических испытаний на прочность, сканирующей электронной фрактографии, а также импедансной спектроскопией структурных составляющих электрического сопротивления, предоставила информацию о влиянии границ и их соединений на свойства электролита, для которого механическое поведение также важно, как и его проводимость. Наблюдалась корреляция между влиянием границ, определенных исходными порошками трёх типов и температурой их спекания, на механическое поведение и электрическую проводимость электролита 1Ce10ScSZ. Найдено две комбинации граничных комплексов, которые существуют и улучшаются с ростом температуры спекания между субзернами и зернами. Переход между видами граничных комплексов, который был определен как переход второго рода, происходит как в химически чистой керамике 1Ce10ScSZ, так и в керамике технической чистоты из порошков, обогащенных оксидами кремния и титана. В керамике 1Ce10ScSZ содержащей значительные количества оксидов кремния и алюминия, переходы не обнаружены.