《材料结构与性能》第3章材料的输运性质.ppt

单斜ZrO2转变为四方ZrO2会产生7－8%的体积收缩，而逆向转变则会有相应的体积膨胀，所以 ZrO2烧结制备过程中，由于降温时发生四方→单斜相变引起烧结体开裂 。为防止相变引起的开裂，可在氧化锆 中加入少量碱土金属氧化物(MgO、CaO等) 或稀土氧化物(Y2O3、CeO2 等)，使ZrO2 稳定为萤石结构。 纯ZrO2没有离子导电性，而且存在相变： 在防止开裂的同时，晶体结构中 还产生了大量的氧离子空位 。 (1-x)ZrO2 + xCaO = Zr1-xCaxO 2-x +xVo 氧离子空位 在电场作用下，氧离子可通过氧空位扩散而导电。 O2- Pt 电 极 Pt 电 极 电动势 被检测气体 O2(a) 空气 O2(c) ZrO2 O2- Pt 电 极 Pt 电 极 电动势 被检测气体 O2(a) 空气 O2(c) 锆管内部氧离子从大气一侧向排气一侧扩散，使锆管形成微电池，在锆管铂极间产生电压。 内层电极与大气接触，所以氧气浓度高，外层电极与排气接触，氧气浓度低。当排放的废气中所含的氧相对少，氧化锆两侧的电极所接触到的氧气高低落差大，所产生的电动势也相对高(将近1V)；当燃烧完所多余的氧气较多时，氧化锆两侧的白金层的氧气落差小，因此所产生的电动势低(将近0V)。 氧传感器工作原理 电动势的信号传送到调节系统，通过改变油量大小进 行相应的调节。 2 高温燃料电池 负极燃料：H2、甲烷、碳氢化合物、氨气 正极氧化剂：空气 电解质： 固体氧化物（高温具有传递O2-能力）， 如： Y2O3 、CaO；掺杂的ZrO2 或 CeO2 固溶体 （1）负极燃料H2和O22- 反应在催化剂作用下反应 反应过程： （3） e-在外电路形成电流 （2）正极O2（空气）和电子结合生成O2-， O2-在两 侧氧浓度差的驱动下，通过电解质中的氧空位跃 迁，到达负极 清华研制的燃料电池客车 燃料电池车加氢站 驱动客车的燃料电池 甲醇燃料电池的 手机、笔记本电脑将不再用充电 2010年世界燃料电池市场规模预测 * 系 * 德国磁悬浮列车 1999年４月，日本研制的超导磁悬浮列车时速已达552公里，创世界铁路时速最高纪录。实验性行驶 西南交通大学研制成功的超导磁悬浮列车，最高设计时速达500公里 2002年4月5日我国第一条磁悬浮列车试验线在长沙建成通车，设计时速150公里 上海在运营的磁悬浮列车 磁悬浮列车内部情况 明天的超导应用 超导电磁炮 超导高速公路 超导芯片 超导飞船 超导“金霸王” 3.4 快离子导体 ?Eg 价带 导带 一些离子晶体：如NaCl AgCl MgO 禁带宽度较大， 这类离子晶体常温下是绝缘的，不能导电。 但当一些条件改变时，这些离子晶体也能导电。 3.4.1 经典离子类载流子导电 离子晶体的离子电导主要有两类： 第一类，固有离子电导（本征电导），源于晶体点阵的基本离子的运动。离子自身随着热振动离开晶格形成热缺陷。（高温下显著） 第二类，杂质电导，由固定较弱的离子运动造成的。（较低温度下杂质电导显著）? 载流子为离子或离子空位的电导——离子电导 1 固有电导（本征电导） 提供 载流子由晶体本身热缺陷—— 弗仑克尔缺陷 肖脱基缺陷 晶体的温度较高时，一些能量较高的的离子脱离格点形成“间隙离子”，或跑到晶体表面形成新的结点，原来的位置形成空位，从而破坏晶格的完整性，这种与温度有关的缺陷称之为晶体的热缺陷。 本征电导：由热缺陷提供载流子形成的电导 弗仑克尔缺陷：一定温度下，格点原子在平衡位置附近振动，其中某些原子能够获得较大的热运动能量，克服周围原子化学键束缚而挤入晶体原子间的空隙位置，形成间隙原子，原先所处的位置相应成为空位。这种间隙原子和空位成对出现的缺陷称为弗仑克尔缺陷。 肖特基缺陷：一定温度下、表面附近的原子A和B依靠热运动能量运动到外面新的一层格点位置上，而A和B处的空位由晶体内部原子逐次填充，从而在晶体内部形成空位，而表面则产生新原子层，结果是晶体内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。 离子电导的微观机构:载流子(离子)的扩散 。 离子的扩散过程就构成了宏观的离子“迁移”。 离子导电性：离子类载流子电场作用下， 通过材料的长距离迁移。 本征离子电导率的一般表达式为： B1——W/k W1——本征电导活化能 缺陷形成能 E 迁移能 U N1——单位体积内离子结点数 2杂质电导 作为载流子的离子由杂质缺陷引起 O O Al O Al O mg A