สภาพการนำไออนและสมบัติเชิงกลของอิเล็กโทรไลต์ที่มีเซอร์โคเนียเป็นฐานเตรียมโดยเทคนิคการเคลือบสารละลาย

Abstract

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อปรับปรุงค่าการนำไอออนของเซรามิกชนิด 3YSZ สำหรับ ใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรไลต์ในเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง (Solid oxide fuel cell) ซึ่งทำการเตรียม ผงเซรามิกด้วยเทคนิคการเคลือบสารละลาย โดยการเคลือบผงเซรามิก 3YSZ ด้วยสารละลาย 3 ชนิด ได้แก่ อิตเทรียในปริมาณ 5 mol% ซีเรียในปริมาณ 10 mol% และอิตเทรียผสมกับซีเรียใน ปริมาณ 5 และ 10 mol% ตามลำดับ (รหัสย่อ 5Y, 10Ce และ 10Ce5Y ตามลำดับ) โดยทำการเผาอบ ผนึกตัวอย่างที่อุณหภูมิ 1300-1500oC เป็นเวลา 1-5 ชั่วโมง จากนั้นทำการวิเคราะห์ชิ้นงานหลังการ เผาอบผนึก ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงโครงสร้าง โครงสร้างจุลภาค สมบัติทางไฟฟ้า และสมบัติเชิงกล จากผลการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของตัวอย่าง 5Y พบว่าที่อุณหภูมิการ เผาอบผนึก 1300oC เวลา 1 ชั่วโมง ตัวอย่างมีโครงสร้างเป็นเตตระโกนอลเพียงแบบเดียว แต่เมื่อเพิ่ม เวลาเป็น 3 และ 5 ชั่วโมง จะเกิดโครงสร้างทรงลูกบาศก์ร่วมด้วยและเมื่อเพิ่มอุณหภูมิการเผาอบ ผนึกเป็น 1400 และ 1500oC ตัวอย่างจะมีเพียงโครงสร้างเตตระโกนอลที่มีความเป็นเตตระโกนอล ต่ำลงเมื่อเทียบกับตัวอย่าง 3YSZ ที่ผ่านการเผาอบผนึกในสภาวะเดียวกัน และผลการวิเคราะห์ด้วย กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ประกอบกับเทคนิค EDS พบว่าอิตเทรียมีการ กระจายตัวในแต่ละเกรนแบบไม่สม่ำเสมอ และจะเกิดการเติบโตของเกรนเมื่อเพิ่มอุณหภูมิและเวลา ในการเผาอบผนึก ผลการวิเคราะห์สมบัติทางไฟฟ้าพบว่าตัวอย่าง 5Y มีค่าการนำไอออนภายใน เกรนเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิและเวลาการเผาอบผนึก และมีค่าสูงกว่าตัวอย่าง 3YSZ เมื่อเทียบที่สภาวะ การเผาอบผนึกเดียวกัน ส่วนค่าการนำไอออนของขอบเกรนของตัวอย่าง 5Y มีค่าสูงกว่าตัวอย่าง 3YSZ โดยมีค่าเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิและเวลาในการเผาอบผนึก ค่าการนำไอออนที่ 600oC มีค่าสูงสุด เมื่อตัวอย่างผ่านการเผาอบผนึกที่อุณหภูมิ 1500°C เป็นเวลา 5 ชั่วโมง โดยมีค่าเท่ากับ 3.30 x 10-2 S/cm และมีความแข็งแรงในการหักงอและความต้านทานการแตกร้าวเท่ากับ 221 MPa และ 2.74 MPa/m1/2 ตามลำดับ จากผลการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของตัวอย่าง 10Ce พบว่ายังคงมี โครงสร้างเป็นเตตระโกนอล แต่มีโครงสร้างทรงลูกบาศก์เกิดขึ้นร่วมด้วยหลังการเผาอบผนึกที่ อุณหภูมิ 1500oC เป็นเวลา 5 ชั่วโมง และจากผลการวิเคราะห์ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบ ส่องผ่าน (TEM) ประกอบกับเทคนิค EDS พบว่าซีเรียมีการกระจายตัวในแต่ละเกรนแบบไม่ สม่ำเสมอ โดยมีขนาดเกรนโตขึ้นเล็กน้อยเมื่อเทียบกับตัวอย่าง 3YSZ ที่ผ่านการเผาอบผนึกใน สภาวะเดียวกัน ผลการวิเคราะห์สมบัติทางไฟฟ้าพบว่าที่ทุกสภาวะการเผาอบผนึกตัวอย่าง 10Ce มี ค่าการนำไอออนภายในเกรนด้อยกว่าตัวอย่าง 3YSZ โดยมีการเปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะการเผา อบผนึกเพียงเล็กน้อย ส่วนค่าการนำไอออนของขอบเกรนพบว่าตัวอย่าง 5Y หลังการเผาอบผนึก เป็น 1500oC ที่เวลา 1 ชั่วโมงเป็นต้นไปจะมีค่าสูงกว่าตัวอย่าง 3YSZ เมื่อเทียบที่ภาวะเดียวกัน ค่า การนำไอออนที่ 600oC มีค่าสูงสุดเมื่อตัวอย่างผ่านการเผาอบผนึกที่อุณหภูมิ 1500°C เป็นเวลา 5 ชั่วโมง โดยมีค่าเท่ากับ 0.31 x 10-2 S/cm มีค่าความแข็งแรงในการหักงอและค่าความต้านทานการ แตกร้าวเท่ากับ 326 MPa และ 3.32 MPa/m1/2 ตามลำดับ จากผลการวิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของตัวอย่าง 10Ce5Y พบว่ามีเพียง โครงสร้างแบบทรงลูกบาศก์ โดยการเพิ่มอุณหภูมิและเวลาในการเผาอบผนึกทำให้เกิดการเติบโต ของเกรน ผลการวิเคราะห์สมบัติทางไฟฟ้าพบว่าที่ทุกสภาวะการเผาอบผนึกตัวอย่าง 10Ce5Y มีค่า การนำไอออนภายในเกรนด้อยกว่าตัวอย่าง 3YSZ โดยมีค่าเปลี่ยนแปลงไปตามสภาวะการเผาอบ ผนึกเพียงเล็กน้อย ส่วนค่าการนำไอออนของขอบเกรนมีค่าสูงกว่าตัวอย่าง 3YSZ และมีค่าเพิ่มขึ้น ตามอุณหภูมิและเวลาในการเผาอบผนึก ค่าการนำไอออนที่ 600oC มีค่าสูงสุดเมื่อตัวอย่างผ่านการ เผาอบผนึกที่อุณหภูมิ 1500°C เป็นเวลา 5 ชั่วโมง โดยมีค่าเท่ากับ 0.77 x 10-2 S/cm มีค่าความ แข็งแรงในการหักงอและค่าความต้านทานการแตกร้าวเท่ากับ 209 MPa และ 1.19 MPa/m1/2 ตามลำดับ