Состав стекла для получения газонепроницаемых сочленений керамических изделий из стабилизированной двуокиси циркония

Состав стекла для получения газонепроницаемых сочленений керамических изделий из стабилизированной двуокиси циркония

Реферат

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве твердых электролитов в различных электрохимических устройствах, например: в топливных элементах, кислородных датчиках, электролизерах для получения водорода, системах жизнеобеспечения и др. Техническим результатом является получение механически прочных, длительно работающих сочленений при температуре до 1000°C и выдерживающих многократные теплосмены. В составе стекла для получения газонепроницаемых сочленений его ингредиенты взяты в следующих соотношениях (в процентах по весу): двуокись кремния (SiO₂) - 33,0; борный ангидрид (B ₂O₃) - 3,0; окись кальция (CaO) - 10,0; окись стронция (SrO) - 15,0; окись цинка (ZnO) - 2,0.

Двуокись циркония, стабилизированная окислами Ca, Y, Sc, и др., является ионным проводником и находит все более широкое применение в качестве твердых электролитов, используемых в различных электрохимических устройствах, кар например: топливные элементы, кислородные датчики, электролизеры для получения водорода, системы жизнеобеспечения и др.

Во всех этих устройствах используются газовые электроды, что обуславливает необходимость разделения приэлектродных пространств и создания необходимых сочленений керамических изделий из стабилизированной двуокиси циркония.

Предлагавшийся ранее состав стекла, содержаний BaO, CaO, Al₂O₃ и SiO₂ в заявке 1040301/26-25 заявителей Ханса Хайриха Мебиуса, Карлхайнца Вильмса Рессау (ГДР) имеет ряд недостатков: керамическое сочленение обладает малой механической прочностью; взаимодействие стекла с керамикой приводит к растрескиванию последней при повторной нагревании, что ограничивает дальнейшее использование электрохимического устройства.

Цель настоящего изобретения состояла в разработке такого состава стекла, при использовании которого сочленения керамических изделий из стабилизированной двуокиси циркония в электрохимических устройствах с твердым электролитов обеспечивали бы достаточное, надетое разделение газовых пространств в диапазоне рабочих температур вплоть до 1000°C и выдергивали бы многократное повторение цикла нагрев - охлаждение, надежность работы электрохимических устройств во времени, а также большую механическую прочность. Выполнение этих условий предполагает прежде всего близость коэффициентов термического расширения стекла и стабилизированной двуокиси циркония, а также отсутствия сильного взаимодействия между стеклом и стабилизированной двуокисью циркония, вызывающей разрушение последней.

Согласно изобретению, поставленная цель достигается тем, что в состав стекла, представляющий собой расплав окислов, дополнительно введены: двуокись циркония ZrO₂, окись стронция SrO и окись цинка ZnO. В то же время из состава стекла авторами исключен ингредиент - окись алюминия, которая по нашим данным оказывает наибольшее отрицательное влияние. Ингредиенты, входящие в состав стекла, были взяты в следующих соотношениях (в процентах по весу): двуокись кремния - SiO₂ - 33,0; борный ангидрид B₂O ₃ - 3,0; окись бария BaO - 32,0; двуокись циркония ZrO ₂ - 5,0; окись кальция CaO - 10,0; окись стронция SrO - 15,0; окись цинка ZnO - 2,0.

Предварительно из перечисленных компонентов, взятых в требуемом соотношении, варится стекло при температурах 1450-1500°C с выдержкой в течение одного часа. Сваренное стекло после охлаждения измельчается до крупности - 0,05 мм.

Из полученного порошка готовится суспензия на основе раствора каучука или водной суспензии, содержащей поливиниловый спирт. Приготовленная суспензия наносится на сочленение керамических изделий при помощи кисточки или шпателя, в виде тонкого шва и производится сушка сочленений. Применение суспензии на растворе каучука ускоряет процесс сушки. Затем керамические изделия нагревают до температуры 1170-1180°C с 15-20 минутной выдержкой, охлаждение производится со скоростью 3-5 градусов в минуту.

Предложенный состав стекла бил использован для разделения газовых пространств и создания различных сочленений в топливных элементах, которые удовлетворительно выдерживали многократную цикличность (нагрев - охлаждение) до 1000°C, без нарушения герметичности и механической прочности сочленений.

Формула изобретения

Стекло для соединения в высокотемпературных топливных элементах керамических деталей, выполненных из стабилизированной двуокиси циркония, содержащее в качестве компонентов окислы металлов и неметаллов, отличающееся тем, что, с целью повышения газонепроницаемости соединений деталей топливных элементов, указанные компоненты взяты в соотношении (в % вес): двуокись кремния (SiO₂ ) - 33; борный ангидрид (B₂O₃) - 3; окись кальция (CaO) - 10; окись стронция (SrO) - 15; окись цинка (ZnO) - 2.