场助烧结技术(FAST)作为一系列新型的材料烧结方式,已有超过50年的研究历史,并且已经开发出若干种商业模型。这些新型的烧结技术相比于无压烧结,热压烧结和其他一些传统烧结技术,具有以下一些共同的优势:包括烧结温度低,持续时间短,以及材料的性能得到明显提高。烧结温度低,持续时间短使得在晶粒无法生长的条件下烧结纳米粉体使之接近理论值成为可能。近些年来,研究者又发现了场助烧结过程中一种新的变化,并且为之命名为“闪烧”。2011年,美国科罗拉多州大学的印度裔教授Raj发现,施加120V/cm的直流电场,3YSZ可以在850℃,在很短的,通常<5s的时间内达到完全致密。同时还发现,直流电场的应用会很大程度上抑制了晶粒的生长。然而上述研究目前主要局限于基础理论方面,在应用方面的研究也仅限于对于单一块体材料的烧结,还未能拓展到较为复杂的复合材料或者器件的烧结方面。其中,闪烧更是一块未被开发的处女地,研究者仅在为数不多的几种陶瓷材料中,利用闪烧实现了材料的致密化。鉴于场助烧结特别是闪烧所具有的优势,我们认为其可以在复合材料甚至是器件,特别是固体氧化物燃料电池(SOFC)的烧结制备过程中发挥独特的作用。因此,本论文在前人研究的基础上,对场助烧结,闪烧的应用材料和机理方面做了进一步研究,并将场助烧结应用到SOFC的制备烧结过程中,具体工作包括以下几个方面:(1)对镓掺杂的二氧化铈(GDC)在电场辅助下的烧结行为的研究。将GDC粉体压制成长方体块体材料,并使用铂丝作为电极连接到电源的正负极,通过施加不同强度的电压,并将GDC放置在以恒定速率升温的热膨胀仪中,测试GDC的收缩曲线。结果发现GDC在电场作用的影响下可以在较短的时间内,在低于传统烧结温度下烧结致密,并且随着电压的升高致密化发生的温度降低。同时扫描电镜(SEM)分析结果表明,随着电场强度的增加,闪烧的得到的GDC颗粒大小减小,直到颗粒粒径与原材料的粒径相等。这一结果可以认为对于提高使用GDC的电导率,以及以之为电解质的SOFCs的机械强度有益。(2)对经过闪烧的3%氧化以稳定的二氧化锆(3YSZ)的材料的研究。我们在闪烧的3YSZ的晶体中,发现了1-3nm单分散的Pt纳米簇。Pt纳米簇均匀地分散到3YSZ陶瓷样品中,这一结果证实了闪烧过程中电子风效应的存在,这将有助于我们更深层次的理解闪烧的机理。同时我们还研究了3YSZ的材料结构以及其他光谱性质,发现3YSZ晶体有部分结构重组,并且元素Y的价态也有所改变。我们还观察到闪烧得到的3YSZ样品的晶界区域宽度远大于传统烧结的。这一晶界区域宽度的增加对于电子空穴对的浓度变化和移动也具有重要的影响,这就可以解释离子电导增加的结果。最后,这些3YSZ支撑的Pt纳米簇表明,闪烧也可能成为一种新的制备金属/陶瓷纳米复合材料的新的特殊方法,在电催化,陶瓷增韧,检测和能源设备中具有潜在的应用。(3)对电场辅助烧结技术应用于普通SOFC制备烧结过程的研究。使用流延的方法制备了阳极支撑的SOFC,并使用电场辅助烧结技术代替传统烧结中的终烧程序,在很短的时间,很低的烧结温度下得到致密的8YSZ电解质薄膜,以及完好的SOFC单电池。所得到的单电池在650、700和750℃下的开路电压OCV均超过1V,在可接受的理论值范围之内,同时最高功率密度为0.8、1.1、和1.4Wcm-2,均优于经传统烧结得到的SOFC的表现。同时通过SEM对电解质层微观结构的观察,发现经过电场辅助烧结的8YSZ的电解质具有与传统烧结不同的晶粒大小和形貌,粒径大小分别是440nm和4.06μm(传统烧结)。同时我们还研究了电池的阻抗,并对闪烧过程中晶粒生长的进行了模拟解释。(4)La0.2Sr0.7Ti O3–Ni/YSZ功能梯度阳极支撑的SOFC的共流延,电场辅助烧结及其表征。为了解决SOFC的积碳问题,这里我们设计了一种La0.2Sr0.7Ti O3(LST),Ni和YSZ(LST-Ni/YSZ)功能梯度阳极(FGA)支撑的SOFC。这样的阳极将具有LST和Ni/YSZ的综合优势,既具备抗积碳能力,同时又具有高导电性和增强的热相容性。但是用传统的烧结方式制备这种SOFC遇到了难以克服的困难,因此我们决定使用场助烧结的方式制备所设计的FGA支撑的SOFC。利用了场助烧结的方式对LST-Ni/YSZ FGA支撑SOFC进行了烧制,避免了传统烧结方式中存在的扭曲和剥离现象。得到了LST-Ni/YSZ FGA支撑SOFC表现出良好的输出性能和在干甲烷中长时工作的稳定性。该电池在干燥的CH4气氛中工作70小时后,通过Raman光谱的检测证实没有明显的积碳产生。