固體氧化物燃料電池電解質在力-電化學耦合場下斷裂行為的研究.pdf

1、在當前能源短缺的形勢下,固體氧化物燃料電池以其高能量轉化率及低污染等獨特優(yōu)勢成為科研人員關注和研究的熱點,作為其核心組件的電解質更是研究的重點。氧空位的存在是電解質能夠傳導氧離子的原因,而對處于復雜耦合場中的電解質而言,大量氧空位的存在必然對力學性能造成影響。特別地,當電解質中存在裂紋時,氧空位的濃度分布將發(fā)生改變,進而影響到電解質的斷裂韌度,進一步導致電解質構件中的裂紋開裂和失效。要在材料的制備和使用中防止此類現(xiàn)象的發(fā)生,必須深入了解

2、電解質在耦合場中的斷裂特性。因此,本文利用分子動力學和多尺度的模擬方法,系統(tǒng)地分析了力—電化學耦合場作用下電解質GDC(氧化釓摻雜的氧化鈰)的性能表征。論文主要包含了以下幾個部分:
　　首先,簡要介紹了分子動力學的相關算法,提出了電解質GDC的新勢函數(shù)及對應的勢參數(shù)。利用分子動力學方法系統(tǒng)研究了溫度、摻雜濃度、外部載荷及晶界等因素對GDC中氧離子擴散行為的影響,發(fā)現(xiàn)工作過程中這些因素對氧離子的擴散能力有較為明顯的影響。同時,結合模

3、擬結果從微觀角度解釋了這些影響出現(xiàn)的原因。
　　其次,利用分子動力學對電解質GDC的單軸拉伸進行了系統(tǒng)的模擬。通過研究拉伸過程中晶體構型的變化,發(fā)現(xiàn)在拉伸載荷下GDC出現(xiàn)了相變行為;在此基礎上深入研究了溫度和摻雜濃度對GDC的相變行為、楊氏模量及斷裂強度的影響,得到的模擬結果與實驗現(xiàn)象的變化趨勢大體相似,并從微觀尺度深入解釋了相關現(xiàn)象。
　　利用分子動力學方法,研究了含裂紋GDC的裂紋擴展行為。對比模擬結果和宏觀斷裂現(xiàn)象,發(fā)

4、現(xiàn)兩者在GDC的斷裂模式及裂紋尖端應力場的分布上有較大相似性;當裂紋模型取不同晶向時,拉伸初期裂尖出現(xiàn)了局部的塑性變形或位錯發(fā)射,但最終的破壞模式仍為典型的脆性斷裂。在此基礎上,研究了室溫范圍內(nèi),摻雜濃度的增加對GDC開裂模式及臨界開裂應力的影響。
　　最后,利用多尺度方法模擬了非化學計量GDC在力—電化學耦合場下的裂紋擴展行為并計算了對應的斷裂韌度,建立了GDC在多場耦合下的斷裂模型。通過系統(tǒng)的模擬研究了電解質膜體兩側氧分壓及外