一种SOFC阳极-电解质-阴极构件机械性能测试方法技术

本发明专利技术公开了一种SOFC阳极

【技术实现步骤摘要】
一种SOFC阳极
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电解质
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阴极构件机械性能测试方法


[0001]本专利技术涉及材料测试
，尤其涉及一种SOFC阳极
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电解质
‑
阴极构件机械性能测试方法。

技术介绍

[0002]目前，固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell，SOFC)长期在高温、复杂燃料气等恶劣工况下服役，其高温强度、结构可靠性和材料稳定性等难题为其商业化应用带来了严峻挑战。其中，作为SOFC的关键构件——阳极
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电解质
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阴极(Positive
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electrolyte
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negative assembly，PEN)复合陶瓷构件不仅要在氧化还原反应中长期工作，而且要承受电池堆多次启停过程中的循环热应力，必须具备良好的机械强度。但由于阳极
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电解质
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阴极复合陶瓷构件整体厚度较薄(通常仅有几百微米甚至更薄)以及脆性材料易碎的本性，采用传统标准拉伸试验对其进行力学性能的测试几乎无法实现，因为制作阳极
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电解质
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阴极复合陶瓷构件的传统标准拉伸试验试样异常困难，并且归因于陶瓷材料的脆性，使得进行标准拉伸试验时试样的稳固夹持无法实现。
[0003]小冲杆试验法(Small punch test，SPT)是一种通过钢球或者陶瓷球将载荷施加在试样表面，并根据记录的载荷
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位移曲线获得材料多种力学性能的测试技术，例如：弹性模量、屈服强度、抗拉强度、韧脆转变温度等，已被较为成熟地应用到金属材料力学性能测试中。SPT所需圆片状试样的直径仅为8～10mm、厚度仅为0.25～0.60mm，且试验时只需将试样放置于夹具内进行组装，无需对试样进行加紧夹持，因此本方法非常适用于阳极
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电解质
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阴极各层均质陶瓷及整体复合结构的力学性能测试，并且可以进一步推广到结构陶瓷或多层复合陶瓷等无法实现常规加紧夹持的脆性材料强度测试中。
[0004]因此，为实现我国SOFC的大规模工业生产及全面商业化，亟待提出切实可行的测试方法评价阳极
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电解质
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阴极复合陶瓷构件的机械强度，为形成我国的SOFC关键构件阳极
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电解质
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阴极机械强度及质量的评价体系奠定基础。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术公开了一种SOFC阳极
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电解质
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阴极构件机械性能测试方法，通过小冲杆测试技术获得阳极
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电解质
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阴极复合陶瓷构件的机械强度，具体为由小冲杆载荷
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位移曲线，结合反向有限元方法、理论建模与计算以及Weibull失效概率模型，获得阳极
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电解质
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阴极复合陶瓷弹性模量、特征抗拉强度、Weibull模量等机械性能的方法，实现阳极
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电解质
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阴极复合陶瓷构件可靠性与均匀性的测试与评价。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0007]一种SOFC阳极
‑
电解质
‑
阴极构件机械性能测试方法，包括如下步骤：
[0008]步骤S1.将待测阳极
‑
电解质
‑
阴极陶瓷构件制备小冲杆圆片状试样，并测量试样初始厚度t0；
[0009]步骤S2.进行阳极
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电解质
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阴极构件小冲杆试验，得到载荷
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位移曲线，从载荷
‑
位
移曲线中提取拉伸断裂载荷P1(试样底部由于载荷导致的拉伸断裂)及对应位移u1，并计算平均值P1’
和u1’
，选出与P1’
、u1’
最接近的试验曲线；
[0010]步骤S3.利用反向有限元方法，通过建立阳极
‑
电解质
‑
阴极构件小冲杆试验的有限元模型，确定阳极
‑
电解质
‑
阴极材料的弹性模量E
a
；
[0011]步骤S4.利用理论公式并结合试验与数值模拟结果，推导小冲杆试验抗拉强度比例因子f
SPT
，并计算试样的抗拉强度σ
c
；
[0012]步骤S5.利用Weibull失效概率模型对抗拉强度计算结果进行统计，得到阳极
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电解质
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阴极构件抗拉强度σ
c
的特征强度σ0和Weibull模量m。
[0013]可选地，步骤S1中，将待测阳极
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电解质
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阴极陶瓷构件制备小冲杆圆片状试样，并测量试样初始厚度t0的步骤，具体包括：
[0014]S11.将待测阳极
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电解质
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阴极构件通过激光切割成圆片试样，机械强度需利用Weibull失效概率模型对一定数量的试验结果进行统计分析，故试样数量N为20～44个；
[0015]S12.通过机械抛磨去除阳极
‑
电解质
‑
阴极试样的其他电极层，用于获得单层阳极/电解质/阴极的机械性能；
[0016]S13.为降低试样尺度效应的影响，通过机械抛磨统一试样厚度t0＝0.250～0.600
±
0.005mm；为保证试验数据的可比性，同一批试样厚度应该统一为上述范围内的一个确定值，厚度误差为
±
0.005mm；
[0017]S14.测量试样上5个点的厚度t1～t5，并计算平均值作为试样初始厚度t0。
[0018]可选地，步骤S2中，进行阳极
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电解质
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阴极小冲杆试验，得到载荷
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位移曲线，从载荷
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位移曲线中提取拉伸断裂载荷P1及对应位移u1，并计算平均值P1’
和u1’
，选出与P1’
、u1’
最接近的试验曲线的步骤，具体包括：
[0019]S21.组装小冲杆试验装置，将下夹具放入底座，然后依次放入试样、上夹具、加载球和冲杆，最后旋紧端盖，其中，试样放置时，阳极支撑层朝下，与加载方向一致；
[0020]S22.在加载球下压过程中，试样表面与加载球接触一侧为受压状态，与下夹具接触一侧为受拉状态；而陶瓷材料的抗拉强度远低于抗压强度，试样的危险点为最大拉应力点，因此在组装夹具时将厚度最厚的阳极支撑层朝下放入下夹具；
[0021]S23.试验采用位移控制加载，加载速率为0.01～0.03mm/min；试验结束的判断条件为载荷衰减至最大值的80％；
[0022]S24.进行小冲杆试验，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种SOFC阳极
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电解质
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阴极构件机械性能测试方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1.将待测阳极
‑
电解质
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阴极陶瓷构件制备小冲杆圆片状试样，并测量试样初始厚度；步骤S2.进行阳极
‑
电解质
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阴极构件小冲杆试验，得到载荷
‑
位移曲线，从载荷
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位移曲线中提取断裂载荷及对应位移，并分别计算平均值，选出与两个平均值最接近的试验曲线；步骤S3.利用反向有限元方法，通过建立阳极
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电解质
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阴极构件小冲杆试验的有限元模型，确定阳极
‑
电解质
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阴极材料的弹性模量；步骤S4.利用理论公式并结合试验与数值模拟结果，推导小冲杆试验抗拉强度比例因子，并计算试样的抗拉强度；步骤S5.利用Weibull失效概率模型对抗拉强度计算结果进行统计，得到阳极
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电解质
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阴极构件抗拉强度的特征强度和Weibull模量。2.如权利要求1所述的一种SOFC阳极
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电解质
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阴极构件机械性能测试方法，其特征在于，步骤S1中，将待测阳极
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电解质
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阴极陶瓷构件制备小冲杆圆片状试样，并测量试样初始厚度的步骤，具体包括：S11.将待测阳极
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电解质
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阴极构件通过激光切割成圆片试样，试样数量N为20～44个；S12.通过机械抛磨去除阳极
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电解质
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阴极试样的其他电极层，用于获得单层阳极/电解质/阴极的机械性能；S13.通过机械抛磨统一试样厚度；S14.测量试样上5个点的厚度，并计算平均值作为试样初始厚度。3.如权利要求1所述的一种SOFC阳极
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电解质
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阴极构件机械性能测试方法，其特征在于，步骤S2中，进行阳极
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电解质
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阴极小冲杆试验，得到载荷
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位移曲线，从载荷
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位移曲线中提取拉伸断裂载荷及对应位移，并分别计算平均值和，选出与两个平均值最接近的试验曲线的步骤，具体包括：S21.组装小冲杆试验装置，将下夹具放入底座，然后依次放入试样、上夹具、加载球和冲杆，最后旋紧端盖，其中，试样放置时，阳极支撑层朝下，与加载方向一致；S22.在加载球下压过程中，试样表面与加载球接触一侧为受压状态，与下夹具接触一侧为受拉状态；S23.试验采用位移控制加载，加载速率为0.01～0.03mm/min；试验结束的判断条件为载荷衰减至最大值的80％；S24.进行小冲杆试验，得到载荷
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位移曲线。4.如权利要求1所述的一种SOFC阳极
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电解质
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阴极构件机械性能测试方法，其特征在于，步骤S3中，利用反向有限元方法，通过建立阳极
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电解质
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阴极构件小冲杆试验的有限元模型，确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋明，胡佳旺，蒋文春，钮瑞艳，张玉财，罗云，万娱，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：