轧膜成形制备C/Cu复合材料和燃料电池NiO/YSZ阳极材料的研究

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碳/铜(C/Cu)复合材料兼有Cu良好的导热、导电性、抗电弧侵蚀性等和石墨良好的耐高温、自润滑性等,广泛应用于电工电子、机械、航空航天等领域。现代科技的快速发展,使C/Cu复合材料的应用领域从高强度、减摩耐磨等机械零件进一步扩展到集成电路、封装底座、热沉材料和散热片等高导热、高导电零部件。在一些应用场合下,还需要具有特殊形状(如薄片状)的C/Cu复合材料制品。而碳纤维、碳纳米管等新型碳材料的应用,则可以进一步提高C/Cu复合材料复合材料的性能。在新能源领域,为了实现中温固体氧化物燃料电池(SOFC)的实用化,探索大面积平板状电池(特别是NiO/YSZ阳极支撑体材料)的低成本制备工艺,也成为目前SOFC研究的热点之一。轧膜成形作为一种制备层片状材料的有效方法,已广泛应用于陶瓷、电容器、电路基片等的工业生产,但采用轧膜成形来制备上述新型材料迄今仍有大量的理论和工艺技术问题有待研究解决。本论文尝试采用轧膜成形来制备C/Cu复合材料和燃料电池NiO/YSZ阳极支撑体材料,同时对其组织、性能进行测试分析,以探索上述材料的制备新工艺,开发出高性能的新型复合材料。实验过程中,分别以天然鳞片状石墨、碳纳米管、电解铜粉、NiO/YSZ等为主要原料,选取合适的有机粘结剂、增塑剂、分散剂等,通过有机基轧膜成形分别制备出了石墨/铜、碳纳米管/铜、NiO/YSZ燃料电池阳极支撑体等轧膜生坯,随后烧结得到了石墨/铜、碳纳米管/铜复合材料和NiO/YSZ燃料电池阳极支撑体材料,系统研究了轧膜坯料配方、轧膜工艺参数、烧结工艺条件等对所制备的轧膜生坯以及烧结体的组织、性能等的影响。论文取得的主要结果包括:(1)以电解Cu粉和石墨粉为原料,聚乙烯缩丁醛(PVB)为粘结剂,环己酮为增塑剂,通过有机基轧膜成形成功制备出了石墨/Cu生坯(3%石墨),经700℃预烧和970℃烧结获得了石墨/Cu复合材料,其相对密度、电导率和维氏硬度分别为91.4%、44.4%IACS(?)72.2HV。(2)轧膜坯料的组成对轧膜过程的进行和生坯性能有明显的影响,当粘结剂含量>4%,增塑剂含量>10%时,碳/铜生坯成形性较好;粘结剂含量的增加有利于轧膜的进行,且生坯相对密度增加,含4%和8%粘结剂生坯的密度分别为4.48g/cm3和5.51g/cm3,相对密度分别为88.1%和96.4%。生坯厚度对生坯密度也有一定的影响,生坯厚度从0.1mm增加到0.7mm,生坯密度降低了0.2g/cm3。(3)以镀铜石墨、碳纳米管和铜粉为原料,通过轧膜成形制备出了镀铜石墨/Cu、碳纳米管/Cu复合材料。测试结果表明石墨表面镀铜可以提高石墨/铜复合材料的性能,含3%石墨的镀铜石墨/Cu材料电导率达53.2%IACS、硬度达77.8HV。碳纳米管/铜复合材料的性能与碳纳米管含量有关,随着碳含量的增加,材料的相对密度、力学性能先升后降,在3%时材料的综合性能较好,相对密度、抗弯强度、维氏硬度和电导率为89.09%、74.3MPa、88.2HV、41.36%IACS。(4)通过有机基轧膜成形制备出了平板状SOFC的NiO/YSZ (40:60)阳极支撑体。生坯膜厚约lmm,相对密度约为73.6%。经1450℃烧结2h后阳极烧结体综合性能较好,能满足中温固体氧化物燃料电池阳极材料的性能要求。
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