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研究生: 張詠泰
Chang, Young-tai
論文名稱: 膠體鑄型法製備氧化物陶瓷之研究
Fabrication of oxide ceramics using gelcasting process
指導教授: 方冠榮
Fung, Kuan-zong
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 材料科學及工程學系
Department of Materials Science and Engineering
論文出版年: 2009
畢業學年度: 97
語文別: 中文
論文頁數: 79
中文關鍵詞: 膠體鑄型釔安定氧化鋯氧化鎳
外文關鍵詞: gelcasting, YSZ, NiO
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  • 本研究以新型的陶瓷成型技術─膠體鑄型技術來製作NiO-YSZ陽極管狀電極。雖然管狀電極具有易組裝性等優點,但對於管狀電極尺寸精度及成份均勻性等要求,難以傳統的乾壓成型技術來製作,因此以往的製程方式是利用注漿成型(slip casting)或射出成型(injection molding)等技術來製作,但以上兩種製程技術各有著燒結後尺寸不易控制或黏結劑含量較高在去黏結劑時間較久等缺點,因此製程參數難以控制。
    藉由控制懸浮液的pH值及分散劑的添加量,來製備流動性質佳且穩定性高之膠體懸浮液,經除泡、注模、凝膠化、乾燥及去黏結劑後可成功製備管型。研究中顯示,在pH值為9~11且分散劑添加量為粉體重之0.2wt%時,具有最佳的流動性及穩定性,此一懸浮液的粘度適合用於灌鑄,並經由凝膠時間及溫度等變數控制,制定出合宜的聚合反應參數,隨後再經乾燥、去黏結劑及預燒等階段,運用電泳沉積技術成功在管狀電極上塗覆一層固態電解質(YSZ)薄膜。

    A new ceramic forming technology, gelcasting , was used to fabricate tubular NiO-YSZ anode for solid oxide fuel cell applications in this study. Although the tubular design has more mechanical integrity , the conventional dry pressing did not suit for forming the tubular anode. It is due to the requirement of dimensional precision and homogenous constituents . In the past, the forming method for such a complex shape was only by slip casting or injection molding, but the problems including dimensional control and long de-binder procedure remain to be solved.

    Before gelcasting, a highly fluidic and stable suspension was obtained by varying pH value and dispersant addition. When pH value was controlled at 9~11 and the dispersant addition was at 0.2wt%, the viscosity of this slurry lower than 0.7Pa was obtained. After casting into a mold, a 10cm long NiO/YSZ tube with 11mm diameter was successfully removed from the mold. Two different drying methods were used to remove moisture in the gelcasted tube. To avoid cracking due to inhomogeneous shrinkage during drying, the drying of gelcasted tube was first immersed in the ethanol solution with PEG2000 added and then followed by drying in the air. Although the dried tube was not deformed, the densification of gelcasted tube was also suppressed. On the other hand, when the drying of gelcasted tube was slowly conducted in the air by evaporation, the subsequent densification was significantly improved.

    With proper control the polymerization rate of the slurry, a 10cm long NiO/YSZ tube was formed without noticeable defects. After de-molding, drying, and de-binder processes, a thin layer of YSZ electrolyte film was successfully deposited on the gelcasted NiO-YSZ anode tube by the electrophoretic deposition method.

    總目錄 中文摘要 I 英文摘要 II 致謝 III 總目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VII 第一章 前言 1 1.1 陶瓷成型目的及各式成型技術 1 1.2 膠體鑄型簡介 3 1.3 研究動機及目的 5 1.3.1 懸浮液流動性及穩定性對膠體鑄型之重要性 5 1.3.2 凝膠聚合時間對製程控制之重要性 5 1.3.3 乾燥控制對膠體鑄型的重要性 5 第二章 理論基礎與文獻回顧 7 2.1 膠體溶液穩定原理 7 2.1.1 膠體定義 7 2.1.2 膠體間作用力 7 2.1.3 膠體化學與D.L.V.O理論 8 2.2 懸浮液之流變性質 11 2.3 高分子反應 14 2.3.1 水凝膠簡介 14 2.3.2 自由基聚合反應 14 2.4 NiO/YSZ在固態氧化物型燃料電池中之應用 16 2.4.1 燃料電池簡介及原理 16 2.4.2 燃料電池的種類 16 2.4.3 NiO-YSZ陽極基材 18 第三章 實驗步驟及方法 20 3.1 實驗流程圖 20 3.2 實驗原料及方法 21 3.2.1 預拌溶劑的聚合反應分析 21 3.2.2 界面電位分析 21 3.2.3 懸浮液穩定性測試 21 3.2.4 黏度測試 21 3.2.5 傅立葉轉換紅外線分析光譜 22 3.2.6 尺寸收縮率及重量損失分析 22 第四章 結果與討論 24 4.1 高固含量膠體懸浮液之穩定性及流變機制探討 24 4.1.1 pH值改變及分散劑添加對粉體界面電位影響 25 4.1.2 pH值及分散劑添加對膠體懸浮液沉降行為之影響 29 4.1.3 分散劑對膠體懸浮液黏度的影響 34 4.1.4 固體含量對膠體懸浮液黏度的影響 38 4.2 凝膠聚合反應 42 4.2.1 膠體反應分析 42 4.2.2 起始劑濃度對凝膠時間之關係 46 4.2.3 溫度對凝膠時間之影響 49 4.3 乾燥行為 53 4.3.1 溫濕度控制乾燥過程及收縮之結果 53 4.3.2 脫水劑乾燥過程及收縮之結果 63 4.4 顯微結構觀察及電泳沉積 70 4.4.1 膠體鑄型製程中各階段之顯微結構變化 70 4.4.2 於NiO-YSZ管狀電極上電泳沉積電解質YSZ 73 第五章 結論 75 參考文獻 76 表目錄 表1.1 膠體鑄型、鑄漿成型、射出成型及壓鑄成型製程參數差異 4 表1.1 實驗中所用主要原料 23 表1.1 40vol%漿料鑄模後利用不同方式乾燥,乾生胚及經1400℃/2Hr燒結後密度關係 66 圖目錄 圖2.1 膠體系統中兩帶電粒子之粒子間距與電位能變化示意圖 10 圖2.2 各類流體之剪應力與剪變率之關係 12 圖2.3 燃料電池簡單示意圖 17 圖3.1 實驗流程圖 20 圖4.1 NiO稀薄溶液於分散劑添加前後,pH值對界面電位關係圖 26 圖4.2 YSZ稀薄溶液於分散劑添加前後,pH值對界面電位關係圖 27 圖4.3 pH值對NiO-YSZ懸浮液之沉降關係圖 30 圖4.4 分散劑作用機制圖 31 圖4.5 分散劑添加量對NiO-YSZ懸浮液沉降之影響 33 圖4.6 分散劑添加量與懸浮液之流變關係 35 圖4.7 剪切速率30rpm下,分散劑添加量與黏度關係 36 圖4.8 固體體積分率與懸浮液流變行為關係 40 圖4.9 固體體積分率對懸浮液黏度關係 41 圖4.10 FTIR分析(a)單體MAM (b)交聯劑MBAM (c)共聚物 43 圖4.11 20wt%預拌溶劑在不同起始劑濃度下時間─溫度關係圖 48 圖4.12 20wt%預拌溶劑在不同溫度下聚合反應時間關係圖 51 圖4.13 以Arrhenius的關係式求取自由基反應活化能 52 圖4.14 固體含量40vol%的生胚在40℃,83RH%下乾燥及收縮曲線圖 54 圖4.15 乾燥階段示意圖(a)起始階段(b)等速乾燥(c)減速乾燥 56 圖4.16 液面形成半月型凹面產生毛細力示意圖 57 圖4.17 生胚乾燥收縮示意圖。(a)乾燥起始階段(b)胚體收縮。 58 圖4.18 減速乾燥示意圖 59 圖4.19 第二次減速乾燥示意圖 59 圖4.20 膠體鑄型技術製作之NiO-YSZ管狀生胚成品圖 62 圖4.21 徑向收縮及軸向收縮關係(a)溫濕控制乾燥 (b)脫水劑乾燥 65 圖4.22 利用(a)利用溫濕控制 (b)以脫水劑乾燥後生胚外觀 66 圖4.23 (a)溫濕控制 (b)在空氣中 (c)脫水劑乾燥,生胚之TMA分析 67 圖4.24 脫水劑乾燥後生胚之熱差分析圖 69 圖4.25 胚體乾燥後之顯微組織,倍率(a)X2K (b)X25K 71 圖4.26 (a)800℃/2Hr去黏結劑 (b)1400℃/2Hr燒結後胚體的顯微組織 72 圖4.27 去黏結劑後,電壓65V下進行電泳塗覆,(a)電泳時間及電流強度關係圖(b)電泳YSZ於管狀電極上完成圖 74

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    下載圖示 校內:2019-06-29公開
    校外:2019-06-29公開
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