Submitted by Alison Vanceto (alison-vanceto@hotmail.com) on 2016-10-25T10:51:21Z No. of bitstreams: 1 TeseRHP.pdf: 8778601 bytes, checksum: eb4553a13387041c0fd36d153b524c3c (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-11-08T19:10:09Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseRHP.pdf: 8778601 bytes, checksum: eb4553a13387041c0fd36d153b524c3c (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-11-08T19:10:15Z (GMT) No. of bitstreams: 1 TeseRHP.pdf: 8778601 bytes, checksum: eb4553a13387041c0fd36d153b524c3c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-11-08T19:10:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 TeseRHP.pdf: 8778601 bytes, checksum: eb4553a13387041c0fd36d153b524c3c (MD5) Previous issue date: 2016-09-30 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP) / InO1.5-stabilized zirconia (InSZ) is a potential hot corrosion resistant thermal barrier coating (TBC). However, the thermal instability prevents real applications of InSZ-based TBC. This thesis investigates the hypothesis of co-doping using the charge compensation to improve the phase stability of InSZ. Four co-doping systems were synthesized by coprecipitation and studied: (ZrO2)1-(x+y)(InO1.5)x(MOz)y with MOz = TaO2.5, NbO2.5, MoO3, or WO3. After synthesis, 9 mol% of InO1.5 plus the charge-compensating oxides was sufficient to stabilize the tetragonal phase. Specific surface area up to 106.1 m2.g-1 and crystallite size ~11 nm were achieved using ethanol washing followed by azeotropic distillation as dehydration technique in the precipitates. In these powders, initial thermal stability analysis indicated instability of the tetragonal phase, with extension of the t→m transformation less detrimental in the InMoSZ system. Further increase in the concentration of InO1.5:MoO3 results in monophasic samples with retention of cubic phase in the InMoSZ. Cubic InMoSZ exhibited hardness and thermal expansion coefficient of 13.5% and 9% higher than those of InSZ, respectively. However, thermal treatments at T ≥ 1200 °C showed that the InMoSZ is also passive to destabilization of the high temperature cubic polymorph. Although the cubic InMoSZ was the most promising system found in this thesis, the stability results do not support its application as TBC for temperatures ≥ 1000 ºC. A deep evaluation of the phase transformations between 1000 to 1200 °C indicated that the instability of the proposed systems is due to a progressive c→t→m destabilization of the polymorphs. This c→t→m transformation is directly associated with the reduction of the InO1.5 stabilizer in solid solution by volatilization as In2O during heat treatment. At temperatures ≤ 800 ºC, the c→t phase transformation do not occurs, then, InSZ-based TBC is stable in these conditions. / A zircônia estabilizada com InO1,5 (InSZ) é um material com potencial aplicação como revestimentos para barreira térmica (TBC) resistentes à corrosão. Contudo, a instabilidade de fases impede aplicações industriais da InSZ. Esta tese investiga a ação da co-dopagem por compensação de cargas como uma estratégia para aumentar a estabilidade de fases da InSZ. Quatro sistemas de co-dopagem foram sintetizados por co-precipitação e estudados: (ZrO2)1-(x+y)(InO1,5)x(MOz)y com MOz = TaO2,5, NbO2,5, MoO3 ou WO3. Após a síntese, 9 %mol de InO1,5 somado a concentração de óxidos compensadores de carga foi suficiente para estabilização da fase tetragonal. Área superficial específica de até 106,1 m2.g‒1 e tamanho de cristalitos de ~11 nm foram obtidos utilizando a lavagem com etanol seguida por destilação azeotrópica como técnica de desidratação dos precipitados. Para estes pós, testes de estabilidade térmica indicaram instabilidade da fase tetragonal, com extensão de transformação t→m menos detrimental no sistema InMoSZ. Aumentando gradativamente a concentração de InO1,5-MoO3 na InMoSZ resulta em amostras monofásicas com retenção da fase cúbica. A InMoSZ cúbica exibiu dureza e coeficiente de expansão térmica até 13,5% e 9% superiores aos valores da InSZ, respectivamente. No entanto, tratamentos em temperaturas ≥ 1200 ºC indicaram que a InMoSZ é também suscetível a desestabilização da fase cúbica. Embora a InMoSZ cúbica tenha sido o sistema mais promissor obtido nesta tese, os resultados de estabilidade indicam que sua aplicação como TBC não é possível em temperaturas ≥ 1000 ºC. Uma avaliação detalhada das fases formadas após os tratamentos entre 1000 a 1200 ºC demonstrou que a instabilidade dos sistemas estudados é decorrente de uma transformação progressiva tipo c→t→m. A origem da transformação c→t→m é associada a redução da concentração do estabilizador InO1,5 em solução sólida por volatilização como In2O durante os testes de estabilidade térmica. Em temperaturas ≤ 800 ºC, a transformação c→m não ocorre, neste caso, TBCs baseadas em InSZ são estáveis termicamente para aplicações industriais.

Made available in DSpace on 2014-12-17T14:07:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 WilsonJO_TESE.pdf: 5377189 bytes, checksum: 886cb0d3eb97075a3db2f3b7c1a15af0 (MD5) Previous issue date: 2013-10-21 / Fuel cells are considered one of the most promising ways of converting electrical energy due to its high yield and by using hydrogen (as fuel) which is considered one of the most important source of clean energy for the future. Rare earths doped ceria has been widely investigated as an alternative material for the electrolyte of solid oxide fuel cells (SOFCs) due to its high ionic conductivity at low operating temperatures compared with the traditional electrolytes based on stabilized zirconia. This work investigates the effect of gallium oxide (Gallia) as a sintering aid in Eu doped ceria ceramic electrolytes since this effect has already been investigated for Gd, Sm and Y doped ceria electrolytes. The desired goal with the use of a sintering aid is to reduce the sintering temperature aiming to produce dense ceramics. In this study we investigated the effects on densification, microstructure and ionic conduction caused by different molar fraction of the dopants europium (10, 15 and 20%) and gallium oxide (0.3, 0.6 and 0.9%) in samples sintered at 1300, 1350 and 1450 0 C. Samaria (10 and 20%) doped ceria samples sintered between 1350 and 1450 ?C were used as reference. Samples were synthesized using the cation complexation method. The ceramics powders were characterized by XRF, XRD and SEM, while the sintered samples were investigated by its relative density, SEM and impedance spectroscopy. It was showed that gallia contents up to 0.6% act as excellent sintering aids in Eu doped ceria. Above this aid content, gallia addition does not promote significant increase in density of the ceramics. In Ga free samples the larger densification were accomplished with Eu 15% molar, effect expressed in the microstructure with higher grain growth although reduced and surrounded by many open pores. Relative densities greater than 95 % were obtained by sintering between 1300 and 1350 ?C against the usual range 1500 - 1600 0 C. Samples containing 10% of Sm and 0.9% of Ga reached 96% of theoretical density by sintering at 1350 0 C for 3h, a gain compared to 97% achieved with 20% of Sm and 1% of Ga co-doped cerias sintered at 1450 0 C for 24 h as described in the literature. It is found that the addition of gallia in the Eu doped ceria has a positive effect on the grain conductivity and a negative one in the grain boundary conductivity resulting in a small decrease in the total conductivity which will not compromise its application as sintering aids in ceria based electrolytes. Typical total conductivity values at 600 and 700 ?C, around 10 and 30 mS.cm -1 respectively were reached in this study. Samples with 15% of Eu and 0.9 % of Ga sintered at 1300 and 1350 ?C showed relative densities greater than 96% and total conductivity (measured at 700 ?C) between 20 and 33 mS.cm -1 . The simultaneous sintering of the electrolyte with the anode is one of the goals of research in materials for SOFCs. The results obtained in this study suggest that dense Eu and Ga co-doped ceria electrolytes with good ionic conductivity can be sintered simultaneously with the anode at temperatures below 1350 ?C, the usual temperature for firing porous anode materials / As c?lulas a combust?vel s?o tidas como uma das mais promissoras formas de convers?o de energia el?trica devido ao seu alto rendimento e por utilizar o hidrog?nio como combust?vel, considerado por muitos a principal fonte limpa de energia para o futuro. C?ria dopada com terras raras tem sido amplamente investiga como material alternativo para eletr?lito de c?lulas a combust?vel de ?xido s?lido (SOFC) devido sua alta condutividade i?nica em baixas temperaturas de opera??o quando comparado com os tradicionais eletr?litos ? base de zirc?nia estabilizada. Neste seguimento de pesquisa, este trabalho investiga o efeito do ?xido de g?lio (G?lia) como aditivo de sinteriza??o em eletr?litos cer?micos a base de c?ria dopada com eur?pio, uma vez que este efeito j? foi investigado por outros em eletr?litos ? base de c?ria dopada com Gd, Sm e Y. A meta almejada com a utiliza??o do aditivo de sinteriza??o ? reduzir a temperatura de sinteriza??o para a produ??o de cer?micas densas. Neste trabalho investigou-se o efeito na densifica??o, na microestrutura e na condu??o i?nica causado por diferentes fra??es molares do dopante eur?pio (10, 15 e 20%) e do aditivo de sinteriza??o ?xido de g?lio (0,3; 0,6 e 0,9%), em amostras sinterizadas a 1300, 1350 e 1450 0 C. A c?ria co-dopada com 10 e 20% de Sm e com os mesmos teores do aditivo de sinteriza??o g?lia, sinterizadas a 1350, 1450 e 1500 0 C, tamb?m foi investigada, por sua vez, como par?metro de refer?ncia experimental, haja visto que, nesta pesquisa, adotou-se s?nteses pelo m?todo de complexa??o de c?tions enquanto que os trabalhos encontrados na literatura utilizaram o m?todo convencional. Os p?s cer?micos sintetizados foram caracterizados por FRX, DRX e MEV e as amostras cer?micas sinterizadas por sua densidade relativa, MEV e espectroscopia de imped?ncia. Verifica-se que a G?lia com teores at? 0,6% atua como um excelente aditivo de sinteriza??o na c?ria dopada com Eu. Acima deste teor e at? 0,9% a adi??o da g?lia n?o promove significativos aumentos na densidade da cer?mica. Nas amostras livres do Ga, as maiores densifica??es foram alcan?adas com 15% de Eu, efeito manifestado na micro-estrutura com os maiores crescimentos de gr?os, embora ainda reduzidos e circundados por muitos poros abertos. Densidades relativas superiores a 95% da densidade te?rica podem ser obtidas com sinteriza??es entre 1300 e 1350 0 C, contra as usuais 1500 a 1600 0 C. Com a c?ria co-dopada com 10% de Sm e 0,9% de Ga alcan?ou-se neste trabalho 96% da densidade te?rica com sinteriza??o a 1350 0 C por 3h, um ganho em rela??o aos 97% alcan?ados com a c?ria co-dopada com 20% de Sm e 1% de Ga sinterizada a 1450 0 C por 24h conforme encontrado na literatura. Verifica-se que a adi??o da G?lia em eletr?litos ? base de c?ria dopada com Eu apresenta efeito positivo na condutividade do gr?o e negativo na do contorno de gr?o resultando em uma pequena redu??o na condutividade total, a qual n?o compromete sua promissora aplica??o como aditivo de sinteriza??o. Valores t?picos da condutividade total a 600 e 700 0 C, em torno de 10 e 30 mS.cm -1 respectivamente, foram alcan?ados neste trabalho. As amostras de eletr?litos ? base de c?ria co-dopada com 15% de Eu e 0,9% de Ga, sinterizados a 1300 e 1350 0 C, alcan?aram densidades relativas superiores a 96% e condutividade a 700 0 C entre 20 e 33 mS.cm -1 . A sinteriza??o simult?nea do eletr?lito com o anodo ? uma das metas da pesquisa em materiais para SOFCs. Os resultados alcan?ados neste trabalho sugerem que eletr?litos densos ? base de c?ria co-dopada com Eu e Ga podem ser sinterizados simultaneamente com o anodo ? temperatura de sinteriza??o entre 1300 e 1350 0 C, a faixa de temperatura usual de sinteriza??o do anodo poroso