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系統識別號 U0002-1207200619021100
中文論文名稱 凝膠衍生穩定化氧化鋯之製備與特性分析
英文論文名稱 Preparation and characterization of gel-derived stabilized zirconia
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 李柏澍
研究生英文姓名 Po-Shu Li
電子信箱 692360265@s92.tku.edu.tw
學號 692360265
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2006-06-30
論文頁數 128頁
口試委員 指導教授-余宣賦
委員-魏銘彥
委員-張裕祺
中文關鍵字 氧化釔穩定化氧化鋯  溶膠凝膠法  檸檬酸  氨水 
英文關鍵字 Yttria Stable Zirconia  sol-gel techniqe  citric acid  ammonium hydroxide 
學科別分類
中文摘要 本研究以溶膠凝膠法來製備氧化釔穩定化之氧化鋯陶瓷粉體,實驗中主要探討系統反應溶液之pH值和添加不同莫爾百分比的氧化釔對最終獲得粉體性質之影響,而產物粉體主要是藉由TG-DTA、FT-IR、XRD、SEM和EDS來做性質分析。於反應中未添加氨水的製程中,對於不同添加氧化釔之添加量之氧化鋯粉體,從結果顯示其熱行為皆為多段之變化,中間反應含了有機物質和結晶水的移除,TG曲線必須在800℃之後才會持平,另外結晶相態到了 1000℃之後從立方晶系轉變為正方晶系和單斜晶系。當製程中添加氨水調整反應pH值所獲得之粉體,熱行為在300℃左右會有一個因燃燒現象所產生的強烈放熱峰,使得整個TG曲線提前在500℃持平。其結晶相態再1000℃熱處理後為單一穩定之立方晶系,並且晶粒尺寸為20nm。粉體經過1300℃燒結後仍然沒有產生相轉變,其燒結性質也相當好。
英文摘要 Yttria Stabilized Zirconia powder was prepared using sol-gel techniques. Citric acid was added into an aqueous solution of yttrium nitrate to chelate the metallic ion. By adding ammonium hydroxide, the pH value of starting solution was adjusted. The pH value of solution was 2 (without ammonia solution addiions), 4, 6, 8, 10.5. After drying and calcination of different temperatures, the obtained solids were analyzed using TG-DTA, FT-IR, XRD, SEM and EDS. Effects of pH value and various yttrium to zirconia ratios were studied. The thermal behavior of precursor was strongly by the pH value of solution. It indicates that addition ammonium hydroxide into the starting solution formed ammonium nitrate or ammonium citrate and occurred combustion. The TG curve end up in a draw at 500℃. The crystalline phase preserved pure cubic at 1000℃ and crystalline size was 20nm. Even when sintered at 1300℃,it still maintained single cubic phase. Abort different yttria mol% zirconia, without addition ammonium hydroxid, cubic structure converted to monocline and tetragonal structure at 1000℃.
論文目次 中文摘要.................................................Ⅰ
英文摘要.................................................Ⅱ
目錄.....................................................Ⅲ
圖目錄...................................................Ⅵ
表目錄.................................................ⅩⅤ

第一章 緒論..............................................1
1-1 前言..............................................1
1-2 研究目的..........................................3
第二章 文獻回顧與理論基礎................................4
2-1 燃料電池簡介......................................4
2-1-1 燃料電池的應用與發展........................5
2-1-2 燃料電池的種................................7
2-1-3 固態燃料電池................................8
2-1-4 固態燃料電池之反應.........................10
2-2 固態電解質-氧化鋯................................10
2-2-1 氧化鋯基本性質與相變化.....................10
2-2-2 氧化鋯之分類...............................13
2-3 溶膠-凝膠法......................................14
2-3-1 溶膠溶液起始原料的選擇.....................16
2-3-2 溶膠凝膠法中主要影響參數...................17
2-4 氧化鋯之文獻回顧.................................18
第三章 實驗步驟與儀器分析...............................23
3-1 藥品規格.........................................23
3-2 實驗流程.........................................24
3-2-1 粉體製備...................................24
3-2-2 燒結.......................................25
3-3 儀器分析.........................................27
3-3-1 X光繞射分析儀..............................27
3-3-2 場發射掃描式電子顯微鏡.....................28
3-3-3 傅利葉轉換紅外光光譜儀.....................30
3-3-4 熱重分析儀.................................31
3-3-5 熱差分析...................................31
3-3-6 能量散佈光譜儀.............................31
第四章 結果與討論.......................................33
4-1 溶膠凝膠系統中pH值之影響.........................33
4-1-1 無添加氨水.................................33
4-1-2 添加氨水調整系統pH值.......................39
4-2氧化釔添加量之影響................................55
4-3氧化鋯之燒結特性..................................69
第五章 結論.............................................76
參考文獻.................................................78
附錄A....................................................81
附錄B...................................................111
附錄C...................................................126


圖目錄
圖2-1 固態燃料電池之結構..................................9
圖2-2 氧化鋯之螢石結構...................................11
圖2-3 氧化釔對氧化鋯添加量之相圖.........................13
圖2-4 溶膠凝膠法技術的基本示意圖.........................15
圖3-1 實驗流程...........................................26
圖3-2 X光對晶格的繞射圖..................................28
圖3-3 SEM裝置圖..........................................36
圖3-3 SEM裝置圖..........................................30
圖4-1 9YNPZ之熱分析圖....................................36
圖4-2 9YNPZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..................37
圖4-3 9YNPZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..................38
圖4-4 9Y4PZ之熱分析圖....................................42
圖4-5 9Y6PZ之熱分析圖....................................43
圖4-6 9Y8PZ之熱分析圖....................................44
圖4-7 9Y10.5PZ之熱分析圖.................................45
圖4-8 9Y4PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..................46
圖4-9 9Y6PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..................47
圖4-10 9Y8PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。...............48
圖4-11 9Y10.5PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)
400℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃..............49
圖4-12 9Y4PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。.................50
圖4-13 9Y6PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。.................51
圖4-14 9Y8PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。.................52
圖4-15 9Y10.5PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)
400℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃..............53
圖4-16 添加9 mol%氧化釔之氧化鋯晶粒成長與熱處理溫度的關係
圖................................................54
圖4-17 ZrO2-1.3經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)
400℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。............58
圖4-18 ZrO2-4經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400
400℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。............59
圖4-19 ZrO2-6經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。...............60
圖4-20 ZrO2-8經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。...............61
圖4-21 ZrO2-10.5經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)
400℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。............62
圖4-22 9YNPZ之Log(D)與1/T關係圖..........................64
圖4-23 9Y4PZ之Log(D)與1/T關係圖..........................65
圖4-24 9Y6PZ之Log(D)與1/T關係圖..........................66
圖4-25 9Y8PZ之Log(D)與1/T關係圖..........................67
圖4-26 9Y10.5PZ之Log(D)與1/T關係圖.......................68
圖4-27 摻雜3 mol%氧化釔之氧化鋯在不同pH值下經1300℃燒結的
XRD圖:(a)3YNPZ;(b)3Y4PZ;(c)3Y6PZ;(d) )3Y8PZ;(e)
3Y10.5PZ。........................................70
圖4-28 摻雜6 mol%氧化釔之氧化鋯在不同pH值下經1300℃燒結的
XRD圖:(a)6YNPZ;(b)6Y4PZ;(c)6Y6PZ;(d) )6Y8PZ;(e)
6Y10.5PZ。........................................71
圖4-29 摻雜9 mol%氧化釔之氧化鋯在不同pH值下經1300℃燒結的
XRD圖:(a)9YNPZ;(b)9Y4PZ;(c)9Y6PZ;(d) )9Y8PZ;(e)
9Y10.5PZ。........................................72
圖4-30 摻雜3 mol%氧化釔之氧化鋯在不同pH值下經1300℃燒結的表
面SEM圖:(a)3YNPZ;(b)3Y4PZ;(c)3Y6PZ;(d)3Y8PZ;(e)
3Y10.5PZ。........................................73
圖4-31 摻雜6 mol%氧化釔之氧化鋯在不同pH值下經1300℃燒結的表
面SEM圖:(a)6YNPZ;(b)6Y4PZ;(c)6Y6PZ;(d)6Y8PZ;(e)
6Y10.5PZ。........................................74
圖4-32 摻雜9 mol%氧化釔之氧化鋯在不同pH值下經1300℃燒結的表
面SEM圖:(a)6YNPZ;(b)6Y4PZ;(c)6Y6PZ;(d)6Y8PZ;(e)
6Y10.5PZ。........................................75
圖A-1 3YNPZ之熱分析圖....................................81
圖A-2 3YNPZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..................82
圖A-3 3YNPZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..................83
圖A-4 3Y4PZ之熱分析圖....................................84
圖A-5 3Y4PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..................85
圖A-6 3YNPZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..................86
圖A-7 3Y6PZ之熱分析圖....................................87
圖A-8 3Y6PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..................88
圖A-9 3Y6PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..................89
圖A-10 3Y8PZ之熱分析圖...................................90
圖A-11 3Y8PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。...............91
圖A-12 3Y8PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。...............92
圖A-13 3Y10.5PZ之熱分析圖................................93
圖A-14 3Y10.5PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)
400℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。............94
圖A-15 3Y10.5PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。...............95
圖A-16 6YNPZ之熱分析圖...................................96
圖A-17 6YNPZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。...............97
圖A-18 6YNPZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。.................98
圖A-19 6Y4PZ之熱分析圖...................................99
圖A-20 6Y4PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..............100
圖A-21 6Y4PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。................101
圖A-22 6Y6PZ之熱分析圖..................................102
圖A-23 6Y6PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..............103
圖A-24 6Y6PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。................104
圖A-25 6Y8PZ之熱分析圖..................................105
圖A-26 6Y8PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..............106
圖A-27 6Y8PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400℃
;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。................107
圖A-28 6Y10.5PZ之熱分析圖...............................108
圖A-29 6Y10.5PZ經不同熱處理溫度之FT-IR圖:(a)90℃乾燥;(b)
400℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。...........109
圖A-30 6Y10.5PZ經不同熱處理溫度之XRD圖:(a)90℃乾燥;(b)400
℃;(c)600℃;(d)800℃;(e)1000℃。..............100
圖B-1 3YNPZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................111
圖B-2 3Y4PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................112
圖B-3 3Y6PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................113
圖B-4 3Y8PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................114
圖B-5 3Y10.5PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800
℃;(c)1000℃。...................................115
圖B-6 6YNPZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................116
圖B-7 6Y4PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................117
圖B-8 6Y6PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................118
圖B-9 6Y8PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................119
圖B-10 6Y10.5PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800
℃;(c)1000℃。..................................120
圖B-11 9YNPZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................121
圖B-12 9Y4PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................122
圖B-13 9Y6PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................123
圖B-14 9Y8PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800℃
;(c)1000℃。.....................................124
圖B-15 9Y10.5PZ經不同熱處理溫度之SEM圖:(a)90℃乾燥;(b)800
℃;(c)1000℃。..................................125
圖C-1 摻雜3 mol%氧化釔之氧化鋯在不同pH值下經1300℃燒結的截
面SEM圖:(a)3YNPZ;(b)3Y4PZ;(c)3Y6PZ;(d)3Y8PZ;(e)
3Y10.5PZ。........................................126
圖C-2 摻雜6 mol%氧化釔之氧化鋯在不同pH值下經1300℃燒結的截
面SEM圖:(a)6YNPZ;(b)6Y4PZ;(c)6Y6PZ;(d)6Y8PZ;(e)
6Y10.5PZ。........................................127
圖C-3 摻雜9 mol%氧化釔之氧化鋯在不同pH值下經1300℃燒結的截
面SEM圖:(a)9YNPZ;(b)9Y4PZ;(c)9Y6PZ;(d)9Y8PZ;(e)
9Y10.5PZ。........................................128

表目錄
表2-1 燃料電池種類........................................7
表2-2 純氧化鋯之晶體結構與晶格參數.......................12
表3-1 實驗所需藥品.......................................23
表3-2 分析儀器...........................................27
表4-1 不同反應系統pH值與Y3+/Zr4+之關係...................63
表4-2 晶粒活化能與反應系統pH值之關係.....................63

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論文使用權限
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