Submitted by Bruna Rodrigues (bruna92rodrigues@yahoo.com.br) on 2016-09-30T11:53:15Z No. of bitstreams: 1 DissCAG.pdf: 4802028 bytes, checksum: 4ae7b0204ed655d1b2e282ed03e96a1c (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-04T18:56:20Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissCAG.pdf: 4802028 bytes, checksum: 4ae7b0204ed655d1b2e282ed03e96a1c (MD5) / Approved for entry into archive by Marina Freitas (marinapf@ufscar.br) on 2016-10-04T18:56:26Z (GMT) No. of bitstreams: 1 DissCAG.pdf: 4802028 bytes, checksum: 4ae7b0204ed655d1b2e282ed03e96a1c (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-04T18:56:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 DissCAG.pdf: 4802028 bytes, checksum: 4ae7b0204ed655d1b2e282ed03e96a1c (MD5) Previous issue date: 2016-03-10 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs) are energy conversion devices, capable of generating clean and renewable energy with high efficiency, and regarded as one of the enabling key technologies for future hydrogen economy and stationary power generation. The state of the art consists of cells with Yttria-Stabilized Zirconia (YSZ) as electrolyte and a planar design. Planar electrolytes can be obtained employing several techniques, however, tape casting is a wellestablished, low cost ceramic forming process, and almost one of the few that can be applied to manufacture ceramic sheets of controlled thickness with large areas. Organic solvents have been widely used in tape casting, but due to health, safety, disposal, cost and environmental issues, researches are focusing on aqueous systems, seeking the benefits of using water as solvent, since it is widely available, non-toxic, non-flammable and cheap. In this study, the optimization of slurry formulation and the systematic analysis of processing variables allowed the successful use of aqueous tape casting for obtaining green tapes with good mechanical characteristics (tensile strength - 11.7-12.5 MPa, strain to failure - 64- 49%) and homogeneous green microstructure with no laminating step. In turn, the sintered tapes showed homogeneous microstructure and high density (≈ 97% of theoretical density), with good mechanical and electrical characteristics (fourpoint flexural strength - 266 MPa, electrical conductivity - 4.42x10-2 S.cm-1 at 800°C), which enables their use as electrolytes in Solid Oxide Fuel Cells. / As Células a Combustível de Óxido Sólido (CaCOS) são dispositivos de conversão de energia, capazes de gerar energia limpa e renovável com alta eficiência, e consideradas como uma das tecnologias essenciais para uma futura economia baseada em hidrogênio e para a geração de energia estacionária. O estado da arte consiste de células com eletrólitos planos de Zircônia Estabilizada com Ítria. Eletrólitos planares podem ser obtidos através de diversas técnicas, no entanto, a colagem de fita é uma técnica de processamento cerâmico bem estabelecida e de baixo custo, e uma das poucas que pode ser aplicada para a fabricação de filmes cerâmicos de espessura controlada e com grandes áreas. Solventes orgânicos têm sido amplamente utilizados nesse processo, entretanto, devido a problemas de saúde, de segurança, de descarte, de custo e preocupações ambientais, as pesquisas estão se concentrando em sistemas aquosos, buscando os benefícios de usar água como solvente, uma vez que esta apresenta grande disponibilidade e baixo custo, além de não ser tóxica nem inflamável. Neste estudo, a otimização da formulação de suspensões e a análise sistemática das variáveis de processamento permitiram o uso bem-sucedido da colagem de fita aquosa na obtenção de fitas com ótimas características mecânicas (resistência à tração - 11,7-12,5 MPa, deformação - 64-49%) e microestruturas a verde homogêneas sem a necessidade de uma etapa de laminação. Por sua vez, as fitas sinterizadas apresentaram microestrutura homogénea e alta densidade (≈ 97% da densidade teórica), com boas características mecânicas e eléctricas (resistência à flexão de quatro pontos - 266 MPa, condutividade eléctrica - 4.42x10-2 S.cm-1 a 800°C), o que permite sua utilização como eletrólitos em CaCOS.

Foram efetuados experimentos de sinterização em cerâmica policristalina de ZrO2: 3 mol% Y2O3 (3YSZ) por três métodos: aquecimento seguindo o perfil temperatura ambiente 1400 °C temperatura ambiente (sinterização convencional), aquecimento a partir da temperatura ambiente até 1000-1100 °C sob aplicação de campo elétrico AC (sinterização dinâmica assistida por campo elétrico), e aquecimento até 1000-1100 °C para aplicação do campo elétrico AC (sinterização isotérmica assistida por campo elétrico). O último método foi aplicado em amostras sob diferentes condições (amostras a verde, amostras a verde compactadas isostaticamente com diferentes pressões, amostras pré-sinterizadas a 1400 °C) e diferentes condições experimentais (diferentes frequências do campo elétrico AC, campo elétrico DC, diferentes limites de densidade de corrente, aplicação de carga simultaneamente à aplicação do campo elétrico). Todas as amostras de 3YSZ sinterizadas, além de terem a densidade aparente determinada, tiveram a superfície observada em microscópio eletrônico de varredura para avaliação do tamanho médio de grão e distribuição do tamanho de grão (em alguns casos, ao longo da superfície, do centro para a borda). Além disso, análises de espectroscopia de impedância foram feitas para avaliar a contribuição intergranular (principalmente contorno de grão) e intragranular (grãos) para a resistividade elétrica. A ideia principal foi coletar dados sobre sinterização assistida por campo elétrico, procurando entender o mecanismo atuando no método de sinterização, conhecido por produzir peças cerâmicas densas em temperaturas menores do que as usadas em sinterização convencional, em tempos curtos, e com inibição do crescimento de grão. Os resultados principais mostram que: 1) o nível de retração depende da frequência do campo elétrico AC, 2) quanto maior a porosidade, maior o efeito do campo elétrico, 3) quanto maior o valor da densidade de corrente, maior a densificação, até um determinado limite a partir do qual a amostra é danificada, 4) o pulso de corrente elétrica flui preferencialmente pela região intergranular, e 5) amostras submetidas a sinterização assistida por campo elétrico mostraram aumento da condutividade do contorno de grão. Um mecanismo para a sinterização assistida por campo elétrico é proposto, baseado em que 1) aquecimento Joule é o efeito principal, 2) a corrente elétrica, que surge como resultado da aplicação do campo elétrico, flui pela região intergranular, 3) o aquecimento Joule difunde as espécies químicas depletadas nas interfaces de volta aos grãos, aumentando a concentração de defeitos, levando ao aumento da condutividade do grão, e 4) o aquecimento Joule é responsável por diminuir a barreira potencial na região de carga espacial, inibindo o bloqueio dos íons de oxigênio nos contornos de grão. / Experiments on sintering ZrO2: 3 mol% Y2O3 polycrystalline ceramics (Y-TZP, hereafter 3YSZ) were carried out by three methods: heating following the room temperature-1400°C-room temperature profile (conventional sintering), heating from room temperature to 1000-1100°C under an applied AC electric field (dynamic electric field-assisted sintering), and heating to 1000-1100°C for application of an AC electric field (isothermal electric field-assisted sintering). The last method was performed under different specimen conditions (green pellets, green pellets isostatically pressed with different loads, pellets pre-sintered at 1400°C) and different experimental conditions (different frequencies of the AC electric field, DC electric fields, different limitation of the electric current densities, applying loads simultaneously to application of the electric field). All 3YSZ sintered samples, besides having their apparent densities determined, had their surfaces observed in a scanning electron microscope to evaluate average grain size and distribution of grain sizes (some, along the surface from the center to the border). Moreover, impedance spectroscopy analyses were carried out to evaluate the intergranular (mainly grain boundary) and intragranular (bulk) contributions to the electrical resistivity. The primary idea was to collect data on electric field-assisted sintering looking for understanding the mechanisms behind that sintering method, known to produce dense ceramic pieces at temperatures lower than those used in conventional sintering, in short times and inhibiting grain growth. The main results show that 1) the shrinkage level depends on the AC frequency, 2) the larger the porosity the higher the electric field effect, 3) higher current densities promotes higher densification up to a limit that could damage the sample, 4) the electric current pulse follows preferentially the intergranular instead of the bulk pathway, and 5) electric field-assisted sintered specimens show enhanced grain boundary conductivity. A mechanism for the electric field-assisted sintering is proposed based on that 1) Joule heating is the primary event, 2) the electric current, as a result of the electric field, follows the intergranular pathway, 3) Joule heating diffuses chemical species depleted at the interfaces back to the bulk, increasing the defect concentration, leading to the enhancement of the bulk conductivity, and 4) that same Joule heating is responsible for the decrease of the potential barrier at the space charge region, inhibiting the blocking of oxide ions at the grain boundaries.

Foram efetuados experimentos de sinterização em cerâmica policristalina de ZrO2: 3 mol% Y2O3 (3YSZ) por três métodos: aquecimento seguindo o perfil temperatura ambiente 1400 °C temperatura ambiente (sinterização convencional), aquecimento a partir da temperatura ambiente até 1000-1100 °C sob aplicação de campo elétrico AC (sinterização dinâmica assistida por campo elétrico), e aquecimento até 1000-1100 °C para aplicação do campo elétrico AC (sinterização isotérmica assistida por campo elétrico). O último método foi aplicado em amostras sob diferentes condições (amostras a verde, amostras a verde compactadas isostaticamente com diferentes pressões, amostras pré-sinterizadas a 1400 °C) e diferentes condições experimentais (diferentes frequências do campo elétrico AC, campo elétrico DC, diferentes limites de densidade de corrente, aplicação de carga simultaneamente à aplicação do campo elétrico). Todas as amostras de 3YSZ sinterizadas, além de terem a densidade aparente determinada, tiveram a superfície observada em microscópio eletrônico de varredura para avaliação do tamanho médio de grão e distribuição do tamanho de grão (em alguns casos, ao longo da superfície, do centro para a borda). Além disso, análises de espectroscopia de impedância foram feitas para avaliar a contribuição intergranular (principalmente contorno de grão) e intragranular (grãos) para a resistividade elétrica. A ideia principal foi coletar dados sobre sinterização assistida por campo elétrico, procurando entender o mecanismo atuando no método de sinterização, conhecido por produzir peças cerâmicas densas em temperaturas menores do que as usadas em sinterização convencional, em tempos curtos, e com inibição do crescimento de grão. Os resultados principais mostram que: 1) o nível de retração depende da frequência do campo elétrico AC, 2) quanto maior a porosidade, maior o efeito do campo elétrico, 3) quanto maior o valor da densidade de corrente, maior a densificação, até um determinado limite a partir do qual a amostra é danificada, 4) o pulso de corrente elétrica flui preferencialmente pela região intergranular, e 5) amostras submetidas a sinterização assistida por campo elétrico mostraram aumento da condutividade do contorno de grão. Um mecanismo para a sinterização assistida por campo elétrico é proposto, baseado em que 1) aquecimento Joule é o efeito principal, 2) a corrente elétrica, que surge como resultado da aplicação do campo elétrico, flui pela região intergranular, 3) o aquecimento Joule difunde as espécies químicas depletadas nas interfaces de volta aos grãos, aumentando a concentração de defeitos, levando ao aumento da condutividade do grão, e 4) o aquecimento Joule é responsável por diminuir a barreira potencial na região de carga espacial, inibindo o bloqueio dos íons de oxigênio nos contornos de grão. / Experiments on sintering ZrO2: 3 mol% Y2O3 polycrystalline ceramics (Y-TZP, hereafter 3YSZ) were carried out by three methods: heating following the room temperature-1400°C-room temperature profile (conventional sintering), heating from room temperature to 1000-1100°C under an applied AC electric field (dynamic electric field-assisted sintering), and heating to 1000-1100°C for application of an AC electric field (isothermal electric field-assisted sintering). The last method was performed under different specimen conditions (green pellets, green pellets isostatically pressed with different loads, pellets pre-sintered at 1400°C) and different experimental conditions (different frequencies of the AC electric field, DC electric fields, different limitation of the electric current densities, applying loads simultaneously to application of the electric field). All 3YSZ sintered samples, besides having their apparent densities determined, had their surfaces observed in a scanning electron microscope to evaluate average grain size and distribution of grain sizes (some, along the surface from the center to the border). Moreover, impedance spectroscopy analyses were carried out to evaluate the intergranular (mainly grain boundary) and intragranular (bulk) contributions to the electrical resistivity. The primary idea was to collect data on electric field-assisted sintering looking for understanding the mechanisms behind that sintering method, known to produce dense ceramic pieces at temperatures lower than those used in conventional sintering, in short times and inhibiting grain growth. The main results show that 1) the shrinkage level depends on the AC frequency, 2) the larger the porosity the higher the electric field effect, 3) higher current densities promotes higher densification up to a limit that could damage the sample, 4) the electric current pulse follows preferentially the intergranular instead of the bulk pathway, and 5) electric field-assisted sintered specimens show enhanced grain boundary conductivity. A mechanism for the electric field-assisted sintering is proposed based on that 1) Joule heating is the primary event, 2) the electric current, as a result of the electric field, follows the intergranular pathway, 3) Joule heating diffuses chemical species depleted at the interfaces back to the bulk, increasing the defect concentration, leading to the enhancement of the bulk conductivity, and 4) that same Joule heating is responsible for the decrease of the potential barrier at the space charge region, inhibiting the blocking of oxide ions at the grain boundaries.

Made available in DSpace on 2017-07-21T20:42:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 LENA, Eleomar.pdf: 3273064 bytes, checksum: d7d21ed4ddfa4969702a9c497ccaccc4 (MD5) Previous issue date: 2012-08-03 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work studied the influence of oxidizing atmospheres of calcination and sintering temperature on the electrical properties, densification and grain size of yttria doped with 4.5 mol% zirconia synthesized by a sol-gel process followed by calcination at 600 ºC/2h in O2 and air. Used for uniaxial pressing with pressures between 150 MPa and 1.6 GPa. Sintered by Two Step Sintering (TSS): 1550 °C / 5 min and 1200, 1300, 1400 °C, remaining at these temperatures for 2 and 10 hours. Characterized by X-ray diffraction, apparent density,scanning electron microscopy, impedance spectroscopy. The density measurements were above 94% of theoretical density and grain size between 304 and 477 nm, activation energies of 0.68 and 0.90 eV. The TSS was formed in sintering and grain submicrométicos prevented their excessive growth during the final sintering.The calcination atmosphere had little influence on the values of density and porosity, but caused changes in crystallite size and influenced the values of conductivity / Neste trabalho foram estudadas as influência de atmosferas oxidadante de calcinação nas propriedades elétricas das temperaturas de sinterização, densificação e tamanho de grão em compactos de zirconia dopada com 4,5% em moles de oxido de itrio sintetizado por processo sol-gel seguido de calcinação a 600 °C/2h ao ar e O2. Compactados uniaxialmente com pressoes entre 150 MPa e 1,6 GPa. Sinterizados pelo processo Two Step Sintering (TSS): 155 °C/5 min e 1200, 1300 e 1400 °C, permanescendo por 2 e 10 horas. Caracterizados por difração de raios X, densidade aparente, microscopia eletronica de varredura e espectrocopia de impedancia. As As medições de densidade foram acima de 94% da densidade teórica e tamanho de grão entre 304 e 477 nm, as energias de activação de 0,68 e 0,90 eV. A TSS foi formou na sinterização grãos submicrométicos e impediu seu crescimento excessivo durante o final de sintering. A atmosfera calcinação teve pouca influência sobre os valores de densidade e porosidade, causando mudanças no tamanho de cristalito e influenciando os valores de condutividade Neste trabalho foram estudadas as influência de atmosferas oxidadante de calcinação nas propriedades elétricas das temperaturas de sinterização, densificação e tamanho de grão em compactos de zirconia dopada com 4,5% em moles de oxido de itrio sintetizado por processo sol-gel seguido de calcinação a 600 °C/2h ao ar e O2. Compactados uniaxialmente com pressoes entre 150 MPa e 1,6 GPa. Sinterizados pelo processo Two Step Sintering (TSS): 155 °C/5 min e 1200, 1300 e 1400 °C, permanescendo por 2 e 10 horas. Caracterizados por difração de raios X, densidade aparente, microscopia eletronica de varredura e espectrocopia de impedancia. As As medições de densidade foram acima de 94% da densidade teórica e tamanho de grão entre 304 e 477 nm, as energias de activação de 0,68 e 0,90 eV. A TSS foi formou na sinterização grãos submicrométicos e impediu seu crescimento excessivo durante o final de sintering. A atmosfera calcinação teve pouca influência sobre os valores de densidade e porosidade, causando mudanças no tamanho de cristalito e influenciando os valores de condutividade

Os filmes cerâmicos de manganito de lantânio dopado com estrôncio (LSM) e de manganito de lantânio dopado com estrôncio/zircônia estabilizada com ítria (LSM/YSZ) são utilizados como catodos das células a combustível de óxido sólido de temperatura alta (CaCOSTA). Estes filmes cerâmicos porosos foram depositados sobre o substrato cerâmico denso de YSZ, utilizado como eletrólito, componente estrutural do módulo, assim conferindo uma configuração de meia-célula denominada auto-suporte. O estudo da meia-célula é fundamental, pois na interface catodo/eletrólito ocorre a reação de redução do oxigênio, conseqüentemente influenciando no desempenho da CaCOSTA. Neste sentido, o presente trabalho contribui para a síntese de pós de LSM e LSM/YSZ e para o processamento de filmes finos, utilizando a técnica de pulverização de pó úmido, adotada para a conformação dos filmes cerâmicos por permitir a obtenção de camadas porosas com espessuras variadas na ordem de micrômetros. Os pós de LSM foram sintetizados pela técnica de citratos e os pós de LSM/YSZ pela técnica de mistura de sólidos. Na etapa de conformação foram preparadas suspensões orgânicas de LSM e LSM/YSZ alimentada por gravidade em um aerógrafo manual. Para a conformação do substrato de YSZ utilizou-se uma prensa uniaxial hidráulica. Foram possíveis a obtenção das meia-células de óxido sólido catodo/eletrólito de estruturas cristalinas hexagonal para a fase LSM e cúbica para a fase YSZ. E as micrografias das meia-células mostram que o substrato YSZ é denso, suficiente para ser utilizado como eletrólito sólido, e os filmes de LSM e LSM/YSZ apresentam-se porosos com espessura de aproximadamente 30 μm e com boa aderência entre os catodos e o eletrólito. A presença do catodo compósito entre o catodo LSM e o substrato YSZ, possibilitou um aumento no desempenho eletroquímico na reação de redução do oxigênio. / The ceramic films of strontium-doped lanthanum manganite (LSM) and strontiumdoped lanthanum manganite/yttria-stabilized zirconia (LSM/YSZ) are used as cathodes of the high temperature solid oxide fuel cells (HTSOFC). These porous ceramic films had been deposited on the YSZ dense ceramic substrate, used as electrolyte, structural component of the module, thus conferring a configuration of half-cell called auto-support. The study of the half-cell it is basic, therefore in the interface cathode/electrolyte occurs the oxygen reduction reaction, consequently influencing in the performance of the HTSOFC. In this direction, the present work contributes for the processing of thin films, using the wet powder spraying technique, adopted for the conformation of the ceramic films for allowing the attainment of porous layers with thicknesses varied in the order of micrometers. The LSM powders were synthesized by the citrate technique and the LSM/YSZ powders synthesized by the solid mixture technique. In the stage of formation were prepared organic suspensions of LSM and LSM/YSZ fed by gravity in a manual aerograph. For the formation of the YSZ substrate was used a hydraulical uniaxial press. The attainment of solid oxide half-cells cathode/electrolyte was possible of crystalline structures hexagonal for phase LSM and cubic for phase YSZ. The half-cells micrographs show that the YSZ substrate is dense, enough to be used as solid electrolyte, and the LSM and LSM/YSZ films are presented porous with approximately 30 μm of thickness and good adherence between the cathodes and the electrolyte. The presence of composite cathode between the LSM cathode and YSZ substrate, presented an increase in the electrochemical performance in the oxygen reduction reaction.

Os filmes cerâmicos de manganito de lantânio dopado com estrôncio (LSM) e de manganito de lantânio dopado com estrôncio/zircônia estabilizada com ítria (LSM/YSZ) são utilizados como catodos das células a combustível de óxido sólido de temperatura alta (CaCOSTA). Estes filmes cerâmicos porosos foram depositados sobre o substrato cerâmico denso de YSZ, utilizado como eletrólito, componente estrutural do módulo, assim conferindo uma configuração de meia-célula denominada auto-suporte. O estudo da meia-célula é fundamental, pois na interface catodo/eletrólito ocorre a reação de redução do oxigênio, conseqüentemente influenciando no desempenho da CaCOSTA. Neste sentido, o presente trabalho contribui para a síntese de pós de LSM e LSM/YSZ e para o processamento de filmes finos, utilizando a técnica de pulverização de pó úmido, adotada para a conformação dos filmes cerâmicos por permitir a obtenção de camadas porosas com espessuras variadas na ordem de micrômetros. Os pós de LSM foram sintetizados pela técnica de citratos e os pós de LSM/YSZ pela técnica de mistura de sólidos. Na etapa de conformação foram preparadas suspensões orgânicas de LSM e LSM/YSZ alimentada por gravidade em um aerógrafo manual. Para a conformação do substrato de YSZ utilizou-se uma prensa uniaxial hidráulica. Foram possíveis a obtenção das meia-células de óxido sólido catodo/eletrólito de estruturas cristalinas hexagonal para a fase LSM e cúbica para a fase YSZ. E as micrografias das meia-células mostram que o substrato YSZ é denso, suficiente para ser utilizado como eletrólito sólido, e os filmes de LSM e LSM/YSZ apresentam-se porosos com espessura de aproximadamente 30 μm e com boa aderência entre os catodos e o eletrólito. A presença do catodo compósito entre o catodo LSM e o substrato YSZ, possibilitou um aumento no desempenho eletroquímico na reação de redução do oxigênio. / The ceramic films of strontium-doped lanthanum manganite (LSM) and strontiumdoped lanthanum manganite/yttria-stabilized zirconia (LSM/YSZ) are used as cathodes of the high temperature solid oxide fuel cells (HTSOFC). These porous ceramic films had been deposited on the YSZ dense ceramic substrate, used as electrolyte, structural component of the module, thus conferring a configuration of half-cell called auto-support. The study of the half-cell it is basic, therefore in the interface cathode/electrolyte occurs the oxygen reduction reaction, consequently influencing in the performance of the HTSOFC. In this direction, the present work contributes for the processing of thin films, using the wet powder spraying technique, adopted for the conformation of the ceramic films for allowing the attainment of porous layers with thicknesses varied in the order of micrometers. The LSM powders were synthesized by the citrate technique and the LSM/YSZ powders synthesized by the solid mixture technique. In the stage of formation were prepared organic suspensions of LSM and LSM/YSZ fed by gravity in a manual aerograph. For the formation of the YSZ substrate was used a hydraulical uniaxial press. The attainment of solid oxide half-cells cathode/electrolyte was possible of crystalline structures hexagonal for phase LSM and cubic for phase YSZ. The half-cells micrographs show that the YSZ substrate is dense, enough to be used as solid electrolyte, and the LSM and LSM/YSZ films are presented porous with approximately 30 μm of thickness and good adherence between the cathodes and the electrolyte. The presence of composite cathode between the LSM cathode and YSZ substrate, presented an increase in the electrochemical performance in the oxygen reduction reaction.