بررسی اثر افزودنی ها بر خواص هدایت یونی، ریزساختار و رفتار سینتر در الکترولیت های جامد بر پایه اکسید سریم

محلول های جامد بر پایه اکسید سریم ((ceo2 با ساختار مکعبی فلوریت بعنوان موادی که دارای هدایت یونی بیشتری نسبت به زیرکونیای تثبیت شده با ایتریا هستند، شناخته شده می باشند. از این رو، استفاده از این ترکیبات بعنوان الکترولیت های جامد جاذبه بسیاری پیدا کرده است. در این پژوهش، تأثیر اکسید گادلنیم و اکسید ساماریم به صورت تک افزودنی و همین طور تأثیر همزمان این اکسیدها در کنار اکسیدهای دیسپرزیم و ایتربیم بر رفتار سینتر، ریزساختار و هدایت یونی الکترولیت های بر پایه اکسید سریم، با تلاش برای دستیابی به هدایت یونی بالاتر در دماهای متوسط و پایین تر مورد بررسی قرار گرفت. محلول های جامد با ترکیب mol20% و mol30% افزودنی gd و sm و با مجموع mol20% از افزودنی های gd-dy،gd-yb ، sm-dy و sm-yb توسط فرآیند آسیای پر انرژی اکسیدهای اولیه برای اولین بار، با مدت زمان 30 آسیا تهیه شدند. تأثیر زمان آسیا بر روند تشکیل محلول جامد توسط آنالیزهای xrd و رامان از پودرهای آسیا شده انجام گرفت. نوع و مقدار افزودنی بر زمان آسیای لازم برای تشکیل محلول جامد تأثیر گذار بود. انحراف پیک مشخصه ceo2 در آنالیز رامان، نتایج انحراف پیک ها به سمت زوایای بزرگتر (انبساط شبکه) که در نتایج xrd مشاهده شده بود را تأیید کرد. الکترولیت ها به شکل بدنه های بالک با سینتر دو مرحله ای قرص های خام تهیه شدند. به منظور مقایسه و بررسی روش سینتر و ریزساختار بر خواص نهایی الکترولیت ها، نمونه های بالک با ترکیب یکسان به روش سینتر معمولی و بدون فشار نیز تهیه شد و توسط آنالیزهای xrd، sem و eds بررسی شدند. در روش سینتر معمولی، افزودن 20 درصد مولی gdo1.5 و smo1.5 به ceo2، در مقایسه با نمونه خالص ceo2 باعث به تأخیر افتادن فرآیند سینتر و در نتیجه افزایش دمای سینتر (c?1550) شده و از رشد سریع دانه ها نیز در مرحله آخر سینتر جلوگیری کرده است. با کاهش سرعت گرمایش، نمونه ها در دمای پایین تر (c?1400) به چگالی نسبی ? 95% رسیدند. با افزایش درصد افزودنی به 30 درصد مولی، تجمع زیاد کاتیون ها در اطراف مرزدانه به تشکیل فاز ثانویه غنی از افزودنی منجر شده که به سینتر بدنه ها کمک کرده (c?1500) و باعث افزایش چگالی نسبی در این بدنه ها شده است. الکترولیت های چگال با چگالی نسبی ?%98 و متوسط اندازه دانه nm500 تا nm 2000 در نمونه های مختلف با روش سینتر دومرحله ای بدست آمد. هدایت یونی الکترولیت ها با استفاده از آنالیز طیف سنجی امپدانس در هوا و محدوده دماییc?400 تا c? 700 اندازه گیری شد. ریزساختارهای بدست آمده در کنار نتایج بدست آمده مربوط به هدایت یونی بالک و مرزدانه نمونه های مختلف مورد بحث و بررسی قرارگرفتند. هدایت یونی الکترولیت های ceo2:(20-30)gdo1.5 و ceo2:(20-30)smo1.5 بستگی به ریزساختار داشته، به قسمی که تغییر رژیم سینتر و در نتیجه اندازه دانه ها در هدایت مرزدانه و در نتیجه هدایت کل تأثیر گذاشته است. مقدار هدایت یونی در نمونه ceo2:(20)gdo1.5 سینتر معمولی شده، برابر با s.cm-1 011/0 در دمای c?700 بود. تغییر رژیم پخت با سینتر دومرحله ای منجر به افزایش مقاومت مرزدانه در اثر مهاجرت بیشتر کاتیون های gd به سمت مرزدانه در این نمونه شده است. بیشترین مقدار هدایت یونی در نمونه ceo2:(20)smo1.5 مربوط به نمونه سینتر دومرحله ای شده و برابر با s.cm-1 012/0 در دمای c?700 بود. با افزایش درصد افزودنی، بدلیل افزایش حامل های بار و همین طور انتروپی سیستم، هدایت یونی در دمای متوسط افزایش یافت (s.cm-1 024/0 و 022/0 در دمای c?700) ولی تجمع بیشتر عیوب در مرزدانه ها با افزایش درصد افزودنی انرژی اکتیواسیون هدایت را افزایش می دهد و در نتیجه باعث می شود مقاومت سیستم در دماهای پایین کاهش پیدا نکند. نتایج بدست آمده نشان داد که استفاده از دو افزودنی همزمان gd-dy و sm-dy به افزایش هدایت یونی و کاهش انرژی اکتیواسیون کل این نمونه ها نسبت به نمونه های دارای تک افزودنی در دماهای متوسط و پایین تر منجر می شود. هدایت یونی ترکیبات ce0.8(gd0.15dy0.05)o1.9 و ce0.8(sm0.15dy0.05)o1.9 به ترتیب برابر با s.cm-1 03/0 و s.cm-1 037/0 در دمای c ?700 و s.cm-1 0034/0 و s.cm-1 0032/0 در دمای c?500 بود. عملکرد تأثیر استفاده از دو افزودنی همزمان در هدایت یونی دانه و مرزدانه بحث و بررسی شده است.