固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种高效率、环境友好的能源转换装置,符合节能减排经济发展模式要求。由于高温操作对材料要求严格、界面反应明显、电极性能衰减快、密封困难等多方面的原因,中温化成为SOFC发展的必然趋势。作为一种最有前景的中温SOFC电解质材料,铈基固溶体电导高、热稳定性好,其规模化应用的主要障碍在于致密化困难。　　 本论文主要针对铈基电解质的难烧结问题,分别从材料性能优化、烧结助剂优化和烧结工艺优化三个方面展开研究来实现材料的低温致密化,取得的主要创新性成果如下:　　 (1)通过将超临界干燥技术与共沉淀合成工艺相结合,以碳酸铵为沉淀剂,制备了超细纳米Ce0.8Gd0.2O1.9(GDC20)粉体。该粉体分散性高、团聚弱、流动性好,400℃焙烧后比表面积高达113.4 m2.g-1,平均晶粒仅为～6 nm。等温烧结研究表明粉体经900℃烧结4 h后相对密度可达99.9％,平均晶粒尺寸约为100 nm,是目前铈基电解质材料优化烧结领域的最佳结果。粉体的高烧结活性源于超临界干燥技术对粉体微观结构性质的优化。低温烧结不仅抑制晶粒生长,同时有利于提高材料电导性能。粉体经900℃烧结后700℃时电导率高达5.39 S.m-1,优于大多数文献报道结果。然而,低温烧结GDC20的高温稳定性相对较弱,适当提高烧结温度有利于保持其热稳定性,1000℃烧结坯体老化后700℃时电导率可达4.96 S.m-1。　　 (2)采用恒速升温方法研究了纳米GDC20的致密化机理。晶界扩散是纳米GDC20致密化主导机制,但烧结过程中伴随一定程度的表面扩散,特别是当升温速率较低时比较明显。烧结初期活化能仅为文献报道微米/亚微米粉体值的1/5～1/7；烧结中期平均活化能为260 kJ·mol-1,约为传统粉体的1/3。以非等温烧结数据为基础,第一次建立了平均粒径10 am以下的纳米GDC20粉体的特征烧结曲线(MSC),尽管受烧结过程中表面扩散等不利因素影响,该曲线仍能较好的反映纳米GDC20的致密化过程,可据此有效预测和控制粉体的烧结结果。　　 (3)通过添加少量LiOx(0.5 mol％～2.0 mol％)作为烧结助剂,进一步降低了纳米GDC20的致密化温度至750℃,这是铈基材料助剂烧结研究中的最低温度。750℃烧结时,材料致密化时间随Li含量增加迅速缩短,2.0Li-GDC20无需恒温相对密度即达99％。Li2O的作用机理在于将GDC20的致密化机制由主导的晶界扩散转变为液相扩散,通过加速物质扩散使材料的致密化温度降低。电导研究显示Li最佳浓度介于1.0 mol％和1.5 mol％之间,750℃烧结后Li-GDC20700℃时最高电导率超过5.00 S.m-1,老化后相同条件下仍可达4.15 S·m-1,说明助剂LiOx不会显著降低材料的电导性能,且高温稳定性较佳。然而,Li—GDC20不适合于高温烧结,熔出的Li2O将导致材料电性能剧降。　　 (4)采用两步法优化了烧结工艺。两步法烧结工艺不仅显著降低材料的致密化温度,同时抑制烧结后期晶粒生长。该工艺使纳米GDC20粉体于750℃实现致密化,获得了高质量的纳米晶电解质材料,平均晶粒仅为～60 nm。并且,与传统烧结工艺类似,致密化温度越低,晶粒越小,材料电导率越高。两步法烧结的GDC20电解质材料热稳定性较高,700℃时最高电导率达3.64 S·m-1。