臺灣博碩士論文加值系統

本實驗為改善LDC材料的燒結密度與電性，將過渡金屬元素 (Ti、Fe和Co) 依單一元素摻雜與複合元素摻雜方式，添加入La2O3和 CeO2中，以共摻雜固態反應法合成La0.4Ce0.57M0.03O2-δ (M = Ti、Fe和Co) 與La0.4Ce0.57M0.015R0.015O2-δ (M或R = Ti、Fe和 Co) 之材料。藉由XRD分析可得知本實驗各配比試片經1400 °C持溫5小時燒結後，皆可得到無二次相存在的固溶體。並以SEM分析，觀察添加Co作為燒結助劑，其緻密化成效最佳，與阿基米德法量測結果相對密度達99 % 符合。針對電性進行分析，在空氣氣氛800 °C下，La0.4Ce0.57Ti0.015Fe0.015O2-δ (TF-LDC) 擁有最佳的導電性，其電性以電化學阻抗分析儀量測AC阻抗值轉換離子導電率為0.035 S/cm, 以DC四線法量測為0.031 S/cm。另外，通入5% H2/N2還原氣氛下，各試片由原先離子導電轉換為電子離子混合導電材料，此時La0.4Ce0.57Ti0.015Fe0.015O2-δ (TF-LDC) 的導電率大幅增加，其AC轉換導電率為0.191 S/cm，而DC導電率為0.425 S/cm。

In this study, effects of transition metal additives (Ti, Fe and Co) were studied for improving sintering densification, crystal structure, microstructure and electrical conductivity of La0.4Ce0.6O2-δ (LDC). The samples of La0.4Ce0.57M0.03O2-δ (M=Ti, Fe and Co) and La0.4Ce0.57M0.015R0.015O2-δ (M or R=Ti, Fe and Co) were prepared by a conventional solid state method and no impurity phase appeared on XRD patterns. The SEM and Archimeds analysis show that grain size and densification of La0.4Ce0.57Co0.03O2-δ (C-LDC) were increased when the sintering was performed at 1400 °C.
In addation, the ionic conductivity of La0.4Ce0.57Ti0.015Fe0.015O2-δ (TF-LDC) was highest among the samples examined. Mesuring in 5% H2/N2 atmosphere at 800 °C, find that AC conductivity increased from 0.035 S/cm to 0.191 S/cm and DC conductivity increased from 0.031 S/cm to 0.425 S/cm.

目錄

摘要 i
ABSTRACT ii
致謝 iii
目錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 實驗動機 2
1.3 實驗目的 2
第二章 文獻回顧 3
2.1 La0.4Ce0.6O2-δ (LDC)之材料簡介 3
2.2 摻雜LSGM對LDC的影響 5
2.3 摻雜TiO2對LDC的影響 7
2.4 摻雜過渡金屬元素對LDC的影響 8
第三章 實驗方法及步驟 9
3.1 試片製備 10
3.1.1 煆燒粉末之製備 10
3.1.2 燒結試片之製備 12
3.2 X-ray繞射分析 14
3.3 掃描式電子顯微鏡分析 16
3.4 相對密度分析 17
3.5 拉曼光譜分析 19
3.6 直流電性量測分析 20
3.6.1 量測試片的製備 20
3.6.2 還原氣氛裝置之安裝與量測 21
3.6.3 空氣氣氛裝置之安裝與量測 22
3.6.4 直流電阻量測軟體設定與模式 23
3.7 交流阻抗頻譜分析 26
3.7.1 交流阻抗量測軟體設定與模式 27
第四章 結果與討論 31
4.1 XRD之分析 31
4.2 繞射峰值偏移與晶格常數之分析 33
4.3 SEM分析 37
4.4 阿基米德-相對密度分析 53
4.5 拉曼光譜鑑定分析 57
4.6 直流導電率分析 59
4.7 交流阻抗分析 70
4.7.1 空氣氣氛下量測交流阻抗分析 70
4.7.2 還原氣氛下量測交流阻抗分析 80
第五章 結論 93
第六章 參考文獻 94
第七章 附錄 97

表目錄

表3.1 初始粉末來源與純度 9
表3.2 原始粉末之結構與空間群 9
表3.3 試片命名 13
表4.1 試片經不同燒結溫度後CeO2{311}繞射峰值偏移量與晶格常數比較 35
表4.2 元素離子半徑[13] 35
表4.3 試片在1400 °C持溫5小時下燒結之平均晶粒尺寸比較 45
表4.4 經燒結1400 °C 5小時後，試片之體密度計算表 53
表4.5 經燒結1350 °C 5小時後，試片之體密度計算表 55
表4.6 試片燒結於1400 °C與1350 °C 5小時後之相對密度表與晶格常數比較 56
表4.7 試片在不同氣氛下量測之DC導電率及活化能比較 63
表4.8 試片經不同燒結溫度於700 °C下的電性比較 68
表4.9 交流阻抗圖譜之阻抗判讀表[19] 75
表4.10 空氣氣氛下量測直流與交流電性分析比較 78
表4.11試片在不同氣氛下量測之AC導電率與活化能比較 86
表4.12 還原氣氛下量測直流與交流電性分析比較 89
 
圖目錄

圖2.1 各粉末XRD圖(a)商業用CeO2，與煆燒各溫度6小時後的LDC (b) 1000 °C、(c) 1100 °C、(d) 1200 °C、(e) 1300 °C、(f) 1350 °C、(g) 1400 °C和(h) 1500 °C [12] 4
圖2.2 LDC燒結溫度在(a) 1300 °C、(b) 1350 °C、(c) 1400 °C和(d) 1500 °C持溫各 5小時後的表面微結構圖[12] 5
圖2.3 有/無添加燒結助劑的LDC相對密度與平均粒徑圖[12] 6
圖2.4 燒結1350 °C持溫5小時後，(a)無添加物的LDC與有添加(b) In2O3、(c) LSGM、(d) MgO、(e) SrO、(f) ZrO2和(g) Ga2O3的XRD圖[12] 7
圖3.1 La2O3煆燒1200 °C 2小時前後之XRD圖譜[19] 11
圖3.2 煆燒粉末製備流程圖 12
圖3.3 燒結試片製備與分析流程圖 13
圖3.4 X-ray繞射分析儀(BRUKER, D2 PHASER) 14
圖3.5 X-ray 繞射分析儀 (Rigaku D/max-B, DMX-2200) 15
圖3.6 熱游離掃描式電子顯微鏡(JSM-6510) 16
圖3.7 阿基米德天秤之示意圖[20] 18
圖3.8 裝氣密式石英爐管安裝示意圖 21
圖3.9 裝開放式石英爐管安裝示意圖 22
圖3.10 直流電阻量測軟體設定步驟一 23
圖3.11 直流電阻量測軟體設定步驟二 23
圖3.12 直流電阻量測軟體設定步驟三 24
圖3.13 直流電阻量測軟體設定步驟四 24
圖3.14 直流電阻量測軟體設定步驟五 25
圖3.15交流阻抗頻譜分析之量測平台示意圖 26
圖3.16 交流阻抗量測軟體設定步驟一 27
圖3.17 交流阻抗量測軟體設定步驟二 27
圖3.18 交流阻抗量測軟體設定步驟三 28
圖3.19 交流阻抗量測軟體設定步驟四 28
圖3.20 交流阻抗量測軟體設定步驟五 29
圖3.21 交流阻抗量測軟體設定步驟六 29
圖3.22 交流阻抗量測軟體設定步驟七 30
圖4.1 (a) LDC、(b) T-LDC、(c) F-LDC、(d) C-LDC、(e) TF-LDC、(f) TC-LDC和(g) FC-LDC，在1500 °C下煆燒3小時之20°~60° X-ray 繞射分析圖 32
圖4.2 (a) LDC、(b) T-LDC、(c) F-LDC、(d) C-LDC、(e) TF-LDC、(f) TC-LDC和(g) FC-LDC，在(A) 1400 °C與(B) 1350 °C下燒結5小時之44°~45°與54°~56° X-ray 繞射分析圖 34
圖4.3 試片經不同溫度燒結後之晶格常數比較 36
圖4.4 在1350 °C持溫5小時燒結試片，未經研磨之試片表面SEM顯微結構。(a)(a-1) LDC、(b)( b-1) T-LDC、(c)(c-1) F-LDC、(d)(d-1) C-LDC、(e)(e-1) TF-LDC、(f)(f-1) TC-LDC和(g)(g-1) FC-LDC 39
圖4.5 在1400 °C持溫5小時燒結試片，未經研磨之試片表面SEM顯微結構。(a)(a-1) LDC、(b)( b-1) T-LDC、(c)(c-1) F-LDC、(d)(d-1) C-LDC、(e)(e-1) TF-LDC、(f)(f-1) TC-LDC和(g)(g-1) FC-LDC 41
圖4.6 在1400 °C持溫5小時燒結試片，經研磨與熱腐蝕後之顯微組織圖與計算晶粒尺寸示意圖。(a)(a-1) LDC、(b)( b-1) T-LDC、(c)(c-1) F-LDC、(d)(d-1) C-LDC、(e)(e-1) TF-LDC、(f)(f-1) TC-LDC和(g)(g-1) FC-LDC 43
圖4.7 試片在燒結1400 °C持溫5小時後之平均晶粒尺寸 45
圖4.8 在1400 °C持溫5小時下燒結的LDC試片，經熱腐蝕處理的EDS分析。(a) SEM表面形貌和(b) Spot 1和Spot 2元素分析 46
圖4.9 在1400 °C持溫5小時下燒結的T-LDC試片，經熱腐蝕處理的EDS分析。(a) SEM表面形貌和(b) Spot 1和Spot 2元素分析 47
圖4.10 在1400 °C持溫5小時下燒結的F-LDC試片，經熱腐蝕處理的EDS分析。(a) SEM表面形貌和(b) Spot 1和Spot 2元素分析 48
圖4.11 在1400 °C持溫5小時下燒結的C-LDC試片，經熱腐蝕處理的EDS分析。(a) SEM表面形貌和(b) Spot 1和Spot 2元素分析 49
圖4.12 在1400 °C持溫5小時下燒結的TF-LDC試片，經熱腐蝕處理的EDS分析。(a) SEM表面形貌和(b) Spot 1和Spot 2元素分析 50
圖4.13 在1400 °C持溫5小時下燒結的TC-LDC試片，經熱腐蝕處理的EDS分析。(a) SEM表面形貌和(b) Spot 1和Spot 2元素分析 51
圖4.14 在1400 °C持溫5小時下燒結的FC-LDC試片，經熱腐蝕處理的EDS分析。(a) SEM表面形貌和(b) Spot 1和Spot 2元素分析 52
圖4.15 試片經不同溫度燒結後之相對密度比較 56
圖4.16 試片在燒結1400 °C持溫5小時後，進行拉曼光譜分析比較。(a) LDC、(b) T-LDC、(c) F-LDC、(d) C-LDC、(e) TF-LDC、(f) TC-LDC和(g) FC-LDC 58
圖4.17 試片在燒結1400 °C持溫5小時後的N/M比較 58
圖4.18 試片量測三次DC導電率圖。(a)在空氣氣氛下和(b)在還原氣氛下量測 60
圖4.19 空氣氣氛下量測所挑選出的試片之(a) DC導電率和(b)阿瑞尼士圖 60
圖4.20 還原氣氛下量測所挑選出的試片之(a) DC導電率和(b)阿瑞尼士圖 61
圖4.21 經還原氣氛下量測電性後的試片形貌 62
圖4.22 不同氣氛下量測DC之(a)導電率圖和(b)阿瑞尼士圖 65
圖4.23 不同氣氛800 °C下量測DC導電率之比較 65
圖4.24 不同氣氛下量測DC導電率換算各試片活化能 67
圖4.25 試片在空氣氣氛下不同溫度量測的Nyquist交流阻抗分析圖 70
圖4.26 所選出的試片在空氣氣氛下量測的Nyquist交流阻抗分析圖 73
圖4.27 空氣氣氛下量測所挑選出的試片。(a) AC導電率和(b)阿瑞尼士圖 75
圖4.28 空氣氣氛下量測AC與DC之(a)導電率和(b)阿瑞尼士圖 76
圖4.29 空氣氣氛下量測AC與DC導電率換算各試片活化能 76
圖4.30 試片在空氣氣氛800 °C下量測AC與DC導電率比較 77
圖4.31 試片在還原氣氛下不同溫度量測的Nyquist交流阻抗分析圖 80
圖4.32 所選出的試片在還原氣氛下量測的Nyquist交流阻抗分析圖 83
圖4.33 還原氣氛下量測所挑選出的試片。(a) AC導電率和(b)阿瑞尼士圖 85
圖4.34 不同氣氛下量測AC之(a)導電率和(b)阿瑞尼士圖 87
圖4.35 不同氣氛下所量測AC導電率換算各試片活化能 87
圖4.36 不同氣氛800 °C下量測AC導電率之比較 88
圖4.37 還原氣氛下量測AC與DC之(a)導電率和(b)阿瑞尼士圖 91
圖4.38 試片在還原氣氛800 °C下量測AC與DC導電率比較 91
圖4.39 還原氣氛下量測AC與DC導電率換算各試片活化能 92

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