專利名稱：激光熔凝合成法制作abo的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于高新材料制備技術(shù)領(lǐng)域，特別是以激光熔凝合成法制作具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)異價(jià)取代攙雜的ABO3型復(fù)氧化物離子導(dǎo)體。
背景技術(shù)：
離子導(dǎo)體具有選擇性離子導(dǎo)電特性，可用于制作傳感器和各類離子器件，又是電化學(xué)能量存儲(chǔ)與交換系統(tǒng)，固體燃料電池的重要材料；離子導(dǎo)體對(duì)一系列化學(xué)反應(yīng)又具有較強(qiáng)的催化特性，因此對(duì)這類材料的研究在材料科學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)—化工、能源等領(lǐng)域都有重要意義。其中固體氧化物燃料電池，被認(rèn)為是21世紀(jì)高效清潔能源之一。對(duì)氧化物離子導(dǎo)體的研究更引起廣泛的重視。
有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)異價(jià)攙雜的ABO3復(fù)氧化物，如La1-xSrxGal-yMgyO3-z具有較高的氧離子導(dǎo)電性，被認(rèn)為是作為中溫固體氧化物燃料電池的電解質(zhì)之一，也是制作傳感器和離子器件的重要備選材料。其目前的主要制作方法是，用構(gòu)成該材料的高純度原料金屬氧化物(如La2O3，Ga2O3，MgO)和碳酸鹽(如SrCO3)粉末經(jīng)嚴(yán)格均勻混粉、研磨、壓制、高溫長(zhǎng)時(shí)燒結(jié)制成。粉末的粒度、混粉-研磨的均勻性以及燒結(jié)對(duì)制得的材料性能有很大的影響。為提高制品性能，有時(shí)需經(jīng)多次燒制。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有ABO3復(fù)氧化物離子導(dǎo)體的制作方法需要高溫長(zhǎng)時(shí)燒結(jié)，且有時(shí)需經(jīng)多次燒制制成的問(wèn)題，提供一種激光熔凝合成法制作ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)復(fù)氧化物離子導(dǎo)體。
本發(fā)明提供的激光熔凝合成法制作ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)復(fù)氧化物離子導(dǎo)體，其特征是ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)復(fù)氧化物是指La1-xSrxGa1-yMgyO3-z鈣鈦礦結(jié)構(gòu)異價(jià)攙雜的ABO3復(fù)氧化物離子導(dǎo)體，分子式中x＝0～0.3，y＝0～0.3，z＝1/2(x+y)，其制作方法如下a.依常規(guī)方法，根據(jù)材料設(shè)計(jì)，選用分析純?cè)牧?；b.依常規(guī)方法，根據(jù)制備過(guò)程所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，按摩爾百分?jǐn)?shù)計(jì)算所需各物質(zhì)粉末原材料的量，稱取粉末原材料；c.混粉將上述稱好的粉末原材料混合、研磨均勻；d.壓制樣坯將混合好的粉料在壓型中，在10～20MPa壓力下壓制樣坯；e.予燒結(jié)制成樣坯在大氣下高溫爐內(nèi)燒結(jié)，從室溫升溫至300～400℃時(shí)保溫0.5～2小時(shí)，繼續(xù)升溫至600～700℃時(shí)保溫0.5～2小時(shí)，繼續(xù)升溫至1200～1400℃時(shí)保溫1～2小時(shí)，燒結(jié)制成樣坯；f.激光熔凝合成用激光器對(duì)燒結(jié)樣坯進(jìn)行激光熔凝合成；對(duì)樣坯進(jìn)行加熱時(shí)激光功率從低調(diào)高至500～800W，對(duì)樣坯進(jìn)行加熱，經(jīng)30～60秒，再調(diào)高激光功率至1000W以上，激光光斑在樣品表面移動(dòng)掃描，至樣坯熔化，再持續(xù)加熱30～120秒，調(diào)激光功率經(jīng)60～120秒功率漸減至0，樣品凝固冷卻，制得激光熔凝合成的La1-xSrxGa1-yMgyO3-z鈣鈦礦結(jié)構(gòu)異價(jià)攙雜的ABO3復(fù)氧化物離子導(dǎo)體。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明采用激光熔凝合成法，僅經(jīng)短時(shí)予燒結(jié)制成預(yù)制樣坯(傳統(tǒng)方法需要高溫長(zhǎng)時(shí)燒結(jié)，且有時(shí)需經(jīng)多次燒制制成)，再進(jìn)行激光加熱至熔化，實(shí)現(xiàn)原料金屬氧化物間的液相相互作用、發(fā)生合成反應(yīng)，制得La1-xSrxGa1-yMgyO3-z鈣鈦礦結(jié)構(gòu)異價(jià)攙雜的ABO3復(fù)氧化物離子導(dǎo)體。本發(fā)明激光熔凝合成La1-xSrxGa1-yMgyO3-z鈣鈦礦結(jié)構(gòu)異價(jià)攙雜的ABO3復(fù)氧化物離子導(dǎo)體有較低的導(dǎo)電活化能。
具體實(shí)施例實(shí)施例1以激光熔凝合成法制作La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)異價(jià)取代攙雜的ABO3型離子導(dǎo)體為例。在La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-0.15中，La+3是A位金屬離子，Sr+2是A位取代攙雜金屬離子，Ga+3是B位金屬離子，Mg+2是B位取代攙雜金屬離子。
1)根據(jù)材料設(shè)計(jì)，選用分析純氧化鑭(La2O3)、分析純碳酸鍶(SrCO3)、分析純氧化鎵(Ga2O3)、分析純氧化鎂(MgO)粉末為原材料。
2)考慮制備過(guò)程可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，按摩爾百分?jǐn)?shù)計(jì)算所需各物質(zhì)粉末原材料的量。
考慮到在燒結(jié)過(guò)程中發(fā)生反應(yīng)，在制作La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3ABO3型離子導(dǎo)體時(shí)，材料合成的反應(yīng)方程式可表示為 其中La2O3、Ga2O3、MgO、SrCO3各物質(zhì)的摩爾百分?jǐn)?shù)分別為1/2×90mol％、1/2×80mol％、20mol％、10mol％，則La2O3的加入量為1/2×0.9×(La2O3的分子量)，Ga2O3的加入量為1/2×0.8×(Ga2O3的分子量)，MgO的加入量為0.2×(MgO的分子量)，SrCO3的加入量為0.1×(SrCO3的分子量)。并由此可計(jì)算出所需各物質(zhì)的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。
3)將稱好的粉末原材料粉末混合、研磨均勻；4)壓制樣坯在15MPa的壓力下壓制樣坯；5)樣坯予燒結(jié)在大氣下高溫爐內(nèi)燒結(jié)，從室溫升溫至350℃時(shí)保溫1小時(shí)，繼續(xù)升溫至650℃時(shí)保溫1小時(shí)，繼續(xù)升溫至1350℃時(shí)保溫1.5小時(shí)，燒結(jié)制成樣坯。
6)激光熔凝合成用激光波長(zhǎng)為10.6μm的DJ-2型CO2激光器對(duì)燒結(jié)樣坯進(jìn)行激光熔凝合成。對(duì)樣坯進(jìn)行加熱時(shí)激光功率從低調(diào)高至800W，在樣品表面形成5mm.的光斑，對(duì)樣坯進(jìn)行加熱，經(jīng)30秒，再調(diào)高激光功率至1000W，光斑在樣品表面移動(dòng)掃描，至樣坯熔化，再持續(xù)加熱60秒，調(diào)激光功率經(jīng)60秒功率漸減至0，樣品凝固冷卻.制得激光熔凝合成樣品。
對(duì)激光熔凝合成的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-0.15ABO3型離子導(dǎo)體樣品進(jìn)行XRD(RadCuKα，λ1.54056)分析和電學(xué)特性測(cè)試，結(jié)果表明XRD衍射譜與JCPDS卡片24-1102(LaGaO3)的譜線相符，說(shuō)明激光熔凝合成的鍶、鎂取代摻雜的LaGaO3-La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-0.15-具有ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)；晶格參數(shù)為a＝0.5474nm，b＝0.55328，c＝0.78348nm.(與JCPDS卡片24-1102(LaGaO3)給出的a＝0.5487nm，b＝0.5520，c＝0.7752nm相近)。電導(dǎo)特性符合離子導(dǎo)電的Arrhenius方程σ＝(σo/T)exp(-Ea/kT)規(guī)律，(式中σ為電導(dǎo)率，σo為常數(shù)，T是溫度(K)，Ea是導(dǎo)電活化能，k是Bolzmann常數(shù))，其導(dǎo)電活化能Ea＝0.9275eV。而同樣材質(zhì)的等靜壓—燒結(jié)樣品(在120MPa的壓力下等靜壓制樣坯，在大氣下高溫爐內(nèi)燒結(jié)從室溫升溫至350℃時(shí)保溫1小時(shí)，繼續(xù)升溫至650℃時(shí)保溫1小時(shí)，繼續(xù)升溫至1350℃時(shí)保溫3.5小時(shí)，燒結(jié)制成等靜壓—燒結(jié)樣品)的導(dǎo)電活化能Ea＝1.134eV。兩者相比，激光熔凝合成的La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3-0.15ABO3型離子導(dǎo)體樣品有較低的導(dǎo)電活化能。
表明激光熔凝合成法制作La1-xSrxGa1-yMgyO3-z具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)異價(jià)取代攙雜的ABO3型離子導(dǎo)體有一定的優(yōu)越性。
權(quán)利要求
1.激光熔凝合成法制作ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)復(fù)氧化物離子導(dǎo)體，其特征是ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)復(fù)氧化物是指La1-xSrxGa1-yMgyO3-z鈣鈦礦結(jié)構(gòu)異價(jià)攙雜的ABO3復(fù)氧化物離子導(dǎo)體，分子式中x＝0～0.3，y＝0～0.3，z＝1/2(x+y)，其制作方法如下a.依常規(guī)方法，根據(jù)材料設(shè)計(jì)，選用分析純?cè)牧?；b.依常規(guī)方法，根據(jù)制備過(guò)程所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，按摩爾百分?jǐn)?shù)計(jì)算所需各物質(zhì)粉末原材料的量，稱取粉末原材料；c.混粉將上述稱好的粉末原材料混合、研磨均勻；d.壓制樣坯將混合好的粉料在壓型中，在10～20MPa壓力下壓制樣坯；e.予燒結(jié)制成樣坯在大氣下高溫爐內(nèi)燒結(jié)，從室溫升溫至300～400℃時(shí)保溫0.5～2小時(shí)，繼續(xù)升溫至600～700℃時(shí)保溫0.5～2小時(shí)，繼續(xù)升溫至1200～1400℃時(shí)保溫1～2小時(shí)，燒結(jié)制成樣坯；f.激光熔凝合成用激光器對(duì)燒結(jié)樣坯進(jìn)行激光熔凝合成；對(duì)樣坯進(jìn)行加熱時(shí)激光功率從低調(diào)高至500～800W，對(duì)樣坯進(jìn)行加熱，經(jīng)30～60秒，再調(diào)高激光功率至1000W以上，激光光斑在樣品表面移動(dòng)掃描，至樣坯熔化，再持續(xù)加熱30～120秒，調(diào)激光功率經(jīng)60～120秒功率漸減至0，樣品凝固冷卻，制得激光熔凝合成的La1-xSrxGa1-yMgyO3-z鈣鈦礦結(jié)構(gòu)異價(jià)攙雜的ABO3復(fù)氧化物離子導(dǎo)體。
全文摘要
激光熔凝合成法制作ABO
文檔編號(hào)B23K26/00GK1945758SQ200610015568
公開(kāi)日2007年4月11日 申請(qǐng)日期2006年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月1日
發(fā)明者孫家樞 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)