بررسي تأثير اندازه ذرات پودر بر ريزساختار، خواص مكانيكي و هدايت الكتريكي سراميك هاي سديم بتا آلومينا

Investigating the effect of particle size on microstructure, mechanical properties and electrical conductivity of sodium beta-alumina ceramics

كنترل ريزساختار الكتروليت سديم بتا آلومينا، مورد استفاده در ساخت باتري‌هاي سديم سولفور، براي دست‌يابي به خواص مكانيكي و هدايت يوني مناسب اهميت زيادي دارد. در اين تحقيق تأثير اندازه ذرات پودر سديم بتا آلومينا بر ريز ساختار نهايي و خواص اين سراميك بررسي شده است. براي اين منظور پودر سديم بتا آلومينا سنتز شده به روش حالت جامد، براي مدت زمان‌هاي متفاوت 30 دقيقه، 2، 6 و 10 ساعت تحت آسيا سايشي قرار گرفت. نتايج نشان داد كه زمان آسيا تأثير بسزايي بر تغيير اندازه ذرات اوليه پودر و در نتيجه بر رفتار چگالش، ريزساختار و نهايتاً بر استحكام شكست و هدايت يوني الكتروليت سديم بتا آلومينا خواهد داشت. با افزايش زمان آسياكاري از 30 دقيقه به 6 ساعت و كاهش متوسط اندازه ذرات پودر از حدود 2 به 7 /0 ميكرومتر، رفتار چگالش پودر حاصل به دليل افزايش نيروي محركه تف‌جوشي بهبود يافت و منجر به افزايش استحكام شكست و هدايت يوني در دماهاي بالا به ترتيب تا حدود 65 و 100 درصد گرديد. با افزايش زمان آسياكاري به 10 ساعت، به دليل ايجاد ريزساختار غيريكنواخت، افت در خواص مكانيكي و الكتريكي سراميك سديم بتا آلومينا مشاهده شد. نتايج اين مطالعه همچنين نشان داد كه مي‌توان رابطه‌اي خطي بين استحكام شكست و دانسيته نمونه‌هاي توليدي برقرار نمود.

The microstructure control of sodium beta-alumina electrolyte used in the manufacture of sodium sulfur batteries is important for obtaining appropriate mechanical and ionic conductivity properties. In this research, the effect of particle size of sodium beta-alumina powder on the final microstructure and properties of this ceramic has been investigated. For this purpose, solid-state-synthesized sodium beta-alumina powder was milled by attrition milling for 30 min, 2, 6, and 10 hours. The results showed that the milling time had a significant effect on the powder particle size and consequently on the condensation behavior, microstructure, and finally on the fracture strength and ionic conductivity of sodium beta-alumina electrolyte. By increasing the milling time from 30 minutes to 6 hours and reducing the average particle size of the powder from about 2 to 0.7 microns, the resulting powder condensation behavior improved due to increased sintering diving force, resulting in increased fracture strength and ionic conductivity of up to 65% and 100%, at high temperatures. With increasing the milling time to 10 hours, due to the development of non-uniform microstructure, a decrease in the mechanical and electrical properties of sodium beta-alumina ceramic was observed. The results of this study also showed a linear relationship between the fracture strength and the density of the samples can be established.