Ανάπτυξη επικάλυψης νανοκρυστάλλων Ζιρκονίας σε κεραμικό υπόστρωμα

Abstract

Μελετάται ένα θέμα που επηρεάζει τις φυσικές πηγές του πλανήτη, τις ισχυρότερες βιομηχανικές οικονομίες που είναι οι αυτοκινητοβιομηχανίες, όπως επίσης και την καθημερινότητα των ανθρώπων, λόγω της ενεργειακής δαπάνης. Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφονται οι φυσικές ιδιότητες της ζιρκονίας όπως επίσης και διαδικασίες που οδηγούν στην σταθεροποίηση της δομής της έτσι ώστε να γίνεται χρήσιμη σε διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές. Το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει τα κελιά καύσεως στερεού οξειδίου, τα οποία χρησιμοποιούν το κεραμικό που θα μελετήσουμε διεξοδικά, την ζιρκονία. Υπάρχουν διάφορες δομές και μορφές που μπορούμε να μελετήσουμε όπως επίσης και πολλές δυνατότητες βελτίωσης και εξέλιξής τους. Στο τρίτο κεφάλαιο, περιγράφονται τα βασικά στοιχεία που σχετίζονται με τα κελιά καύσεως. Περιγράφεται ο τρόπος λειτουργίας τους και τα προβλήματα που αντιμετωπίζει κανείς όταν χρησιμοποιούνται στην παραγωγή έργου. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται αναφορά σε ένα τελευταίο επίτευγμα των Πανεπιστημίων της California και της Osaka, όπου έγινε δυνατή η λειτουργία μίας συγκεκριμένης δομής κελιού καύσεως στο οποίο οι ωμικές αντιστάσεις μετρήθηκαν να προσεγγίζουν την μηδενική τιμή. Αν και η αύξηση της επιφάνειας, η οποία οδήγησε σε αυτό το αποτέλεσμα δεν ήταν δυνατόν να εφαρμοσθεί κατά την διεξαγωγή των πειραμάτων μας, το αποτέλεσμα παρουσιάζεται ώστε να δοθεί μία πλήρης εικόνα του τρέχοντος επιπέδου λειτουργίας των κελιών καύσεως. Το πέμπτο κεφάλαιο δίνει τα βασικά στοιχεία στον αναγνώστη που θα τον κάνουν να αποκτήσει μία εικόνα για τις μεθόδους και τις τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν στο εργαστήριο για την ανάπτυξη της επικάλυψης των νανοκρυστάλλων ζιρκονίας σε υπόστρωμα αλούμινας. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα μετά από μία σειρά μελετών σχετικά με τη ζιρκονία, σταθεροποιημένης με ύττρια ή δημητρία. Με την τεχνική sol-gel έγινε εφικτή η παρασκευή ενός υμενίου ζιρκονίας σταθεροποιημένης με ύττρια YSZ (yttria stabilized zirconia). Η αλλαγή κάποιων παραμέτρων οδήγησε σε αρκετά αποτελέσματα που μελετήθηκαν μέσω ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). Τέλος, η εργασία ολοκληρώνεται με την παρουσίαση των συμπερασμάτων.

Τhe present work analyzes an issue that affects the natural resources of the planet, the strongest industrial economies which are the automotive, as well as people’s daily life, because of energy costs. The first section describes the physical properties of zirconia as well as processes that stabilize the structure in order to be useful in various technological applications. The second chapter describes the solid oxide fuel cells, which use the compound that will be studied, the zirconia. There are various structures and forms that we can study as well as many opportunities for improvements and advancements. The third chapter describes the basic elements associated with the fuel cells. Describing how they work and the problems encountered when they are used in production work. The fourth chapter refers to a last achievement of the Universities of California and Osaka, where a particular fuel cell structure was enabled to function in which the ohmic resistance was measured to be close to zero. Although the increase of the surface, which led to this result, could not be directly applied in our experiments, our result is presented in order to give a complete overview of the current state-of-the art in fuel cells. The fifth chapter describes the basic methods and techniques that were employed in the laboratory to develop nanocrystalline zirconia coatings on alumina substrate. The sixth chapter presents the experimental results concerning the development of yttria stabilized zirconia (YSZ) films with the sol-gel technique. A discussion of the important parameters that affected the quality of these films as observed by scanning electron microscope (SEM) is also taking place. Finally, the work is completed with the description of the conclusions.