Оцінювання впливу redox-обробки на мікроструктуру та схильність до крихкого руйнування анодних матеріалів системи YSZ–NiO(Ni)

Автор(и)

  • Bogdan Vasyliv Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України вул. Наукова, 5, м. Львів, Україна, 79060, Україна https://orcid.org/0000-0002-8827-0747
  • Volodymyr Kulyk Національний університет “Львівська політехніка” вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013, Україна https://orcid.org/0000-0001-5999-3551
  • Zoia Duriagina Національний університет “Львівська політехніка” вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013 Люблінський католицький університет імені Яна Павла II Racławickie al., 14, Lublin, Poland, 20-950, Україна https://orcid.org/0000-0002-2585-3849
  • Dariusz Mierzwinski Краківський технологічний університет Warszawska str., 24, Cracow, Poland, 31-155, Польща https://orcid.org/0000-0003-2292-3546
  • Taras Kovbasiuk Національний університет “Львівська політехніка” вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013, Україна https://orcid.org/0000-0003-2792-0555
  • Tetiana Tepla Національний університет “Львівська політехніка” вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013, Україна https://orcid.org/0000-0002-0474-7975

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.218291

Ключові слова:

кераміка YSZ–NiO, redox-обробка, індентування, в’язкість руйнування, механізм руйнування

Анотація

Досліджено вплив відновлювальної обробки у високотемпературному (600 °C) воденьвмісному середовищі на структуру і схильність до крихкого руйнування матеріалів YSZ–NiO(Ni) для анодів твердооксидних паливних комірок. Для оцінювання опору руйнуванню кераміки адаптовано методику індентування за Вікерсом, що дозволило в комплексі оцінити мікротвердість і в’язкість руйнування матеріалу.

Вимоги щодо високої поруватості анодів для забезпечення функціональних властивостей показують, що міцність може бути недостатньою характеристикою несучої здатності анода. Потрібні структурно-чутливіші характеристики для оцінювання його опору руйнуванню.

Експериментально визначено середні рівні мікротвердості кераміки YSZ–NiO у вихідному стані та керметів YSZ–NiO(Ni) (2,0 ГПа і 0,8 ГПа відповідно) і їх в’язкості руйнування (3,75 МПа·м1/2 і 2,9 МПа·м1/2 відповідно).

Встановлено, що структуру кермету YSZ–NiO(Ni) після redox-обробки формує керамічний каркас YSZ із подрібненими зернами Ni-фази, об’єднаними в мережу, що забезпечує підвищену електропровідність. За вищої поруватості кермету його в’язкість руйнування не нижча за однократно відновленого завдяки реалізації механізму підвищення в’язкості руйнування місткуванням.

Запропонований спосіб обробки дозволив сформувати мікроструктуру анодного матеріалу, тривкого до поширення тріщин під механічним навантаженням. Обгрунтовано  схильність матеріалу анода до крихкого руйнування на підставі оцінювання його тріщиностійкості та аналізу мікроструктури й мікромеханізму руйнування є цікавим з теоретичної точки зору. З практичної точки зору розроблена методика дозволяє визначити умови redox-обробки в технології виготовлення анодів паливних комірок

Біографії авторів

Bogdan Vasyliv, Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України вул. Наукова, 5, м. Львів, Україна, 79060

Кандидат технічних наук, старший науковий співробітник

Відділ водневих технологій та матеріалів альтернативної енергетики

Volodymyr Kulyk, Національний університет “Львівська політехніка” вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013

Доктор технічних наук

Кафедра прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів

Zoia Duriagina, Національний університет “Львівська політехніка” вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013 Люблінський католицький університет імені Яна Павла II Racławickie al., 14, Lublin, Poland, 20-950

Доктор технічних наук, професор

Кафедра прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів

Доктор габілітований, професор

Інститут інженерії матеріалів

Dariusz Mierzwinski, Краківський технологічний університет Warszawska str., 24, Cracow, Poland, 31-155

PhD

Факультет інженерії матеріалів та фізики

Taras Kovbasiuk, Національний університет “Львівська політехніка” вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013

Кандидат технічних наук

Кафедра прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів

Tetiana Tepla, Національний університет “Львівська політехніка” вул. С. Бандери, 12, м. Львів, Україна, 79013

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра прикладного матеріалознавства та обробки матеріалів

Посилання

  1. Zhu, W. Z., Deevi, S. C. (2003). A review on the status of anode materials for solid oxide fuel cells. Materials Science and Engineering: A, 362 (1-2), 228–239. doi: https://doi.org/10.1016/s0921-5093(03)00620-8
  2. Vasyliv, B. D. (2010). Improvement of the electric conductivity of the material of anode in a fuel cell by the cyclic redox thermal treatment. Materials Science, 46 (2), 260–264. doi: https://doi.org/10.1007/s11003-010-9282-4
  3. Podhurska, V., Vasyliv, B. (2012). Influence of NiO reduction on microstructure and properties of porous Ni-ZrO2 substrates. 2012 IEEE International Conference on Oxide Materials for Electronic Engineering (OMEE), 293–294. doi: https://doi.org/10.1109/omee.2012.6464761
  4. Faes, A., Hessler-Wyser, A., Zryd, A., Van herle J. (2012). A Review of RedOx Cycling of Solid Oxide Fuel Cells Anode. Membranes, 2 (3), 585–664. doi: https://doi.org/10.3390/membranes2030585
  5. Danilenko, I., Lasko, G., Brykhanova, I., Burkhovetski, V., Ahkhozov, L. (2017). The Peculiarities of Structure Formation and Properties of Zirconia-Based Nanocomposites with Addition of Al2O3 and NiO. Nanoscale Research Letters, 12 (1). doi: https://doi.org/10.1186/s11671-017-1901-7
  6. Radovic, M., Lara-Curzio, E. (2004). Mechanical properties of tape cast nickel-based anode materials for solid oxide fuel cells before and after reduction in hydrogen. Acta Materialia, 52 (20), 5747–5756. doi: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2004.08.023
  7. Pihlatie, M., Kaiser, A., Mogensen, M. (2009). Mechanical properties of NiO/Ni–YSZ composites depending on temperature, porosity and redox cycling. Journal of the European Ceramic Society, 29 (9), 1657–1664. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2008.10.017
  8. ASTM E384-11. Standard test method for Knoop and Vickers hardness of materials. ASTM International. doi: http://doi.org/10.1520/E0384-11
  9. ASTM C1327-03. Standard test method for Vickers indentation hardness of advanced ceramics. ASTM International. doi: http://doi.org/10.1520/C1327-03
  10. Lawn, B. R., Swain, M. V. (1975). Microfracture beneath point indentations in brittle solids. Journal of Materials Science, 10 (1), 113–122. doi: https://doi.org/10.1007/bf00541038
  11. Lawn, B. R., Fuller, E. R. (1975). Equilibrium penny-like cracks in indentation fracture. Journal of Materials Science, 10 (12), 2016–2024. doi: https://doi.org/10.1007/bf00557479
  12. Evans, A. G., Charles, E. A. (1976). Fracture Toughness Determinations by Indentation. Journal of the American Ceramic Society, 59 (7-8), 371–372. doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1976.tb10991.x
  13. Tanaka, K. (1987). Elastic/plastic indentation hardness and indentation fracture toughness: The inclusion core model. Journal of Materials Science, 22 (4), 1501–1508. doi: https://doi.org/10.1007/bf01233154
  14. Niihara, K., Morena, R., Hasselman, D. P. H. (1982). Evaluation of KIc of brittle solids by the indentation method with low crack-to-indent ratios. Journal of Materials Science Letters, 1 (1), 13–16. doi: https://doi.org/10.1007/bf00724706
  15. Niihara, K. (1983). A fracture mechanics analysis of indentation-induced Palmqvist crack in ceramics. Journal of Materials Science Letters, 2 (5), 221–223. doi: https://doi.org/10.1007/bf00725625
  16. Danilenko, I., Glazunov, F., Konstantinova, T., Yashchyshyn, I., Burkhovetski, V., Volkova, G. (2014). Effect Of Ni/NiO Particles On Structure And Crack Propagation In Zirconia Based Composites. Advanced Materials Letters, 5 (8), 465–471. doi: https://doi.org/10.5185/amlett.2014.amwc1040ii
  17. Grigoriev, O. N., Vinokurov, V. B., Mosina, T. V., Melakh, L. M., Bega, N. D., Koroteev, A. V. et. al. (2017). Kinetics of Shrinkage, Structurization, and the Mechanical Characteristics of Zirconium Boride Sintered in the Presence of Activating Additives. Powder Metallurgy and Metal Ceramics, 55 (11-12), 676–688. doi: https://doi.org/10.1007/s11106-017-9855-y
  18. Gogotsi, G. A., Dub, S. N., Lomonova, E. E., Ozersky, B. I. (1995). Vickers and knoop indentation behaviour of cubic and partially stabilized zirconia crystals. Journal of the European Ceramic Society, 15 (5), 405–413. doi: https://doi.org/10.1016/0955-2219(95)91431-m
  19. Ostash, O. P., Kulyk, V. V., Lenkovskiy, T. M., Duriagina, Z. A., Vira, V. V., Tepla, T. L. (2018). Relationships between the fatigue crack growth resistance characteristics of a steel and the tread surface damage of railway wheel. Archives of Materials Science and Engineering, 2 (90), 49–55. doi: https://doi.org/10.5604/01.3001.0012.0662
  20. Aswad, M. A. (2014). Comparison of the fracture toughness of high temperature ceramic measured by digital image correlation and indentation method. Journal of University of Babylon, 22 (4), 927–937. Available at: https://www.iasj.net/iasj?func=article&aId=99010
  21. Anstis, G. R., Chantikul, P., Lawn, B. R., Marshall, D. B. (1981). A Critical Evaluation of Indentation Techniques for Measuring Fracture Toughness: I, Direct Crack Measurements. Journal of the American Ceramic Society, 64 (9), 533–538. doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1981.tb10320.x
  22. Lawn, B. R., Evans, A. G., Marshall, D. B. (1980). Elastic/Plastic Indentation Damage in Ceramics: The Median/Radial Crack System. Journal of the American Ceramic Society, 63 (9-10), 574–581. doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1980.tb10768.x
  23. Blendell, J. E. (1979). The Origins of Internal Stresses in Polycrystalline Alumina and Their Effects on Mechanical Properties. MIT Press.
  24. Lankford, J. (1982). Indentation microfracture in the Palmqvist crack regime: implications for fracture toughness evaluation by the indentation method. Journal of Materials Science Letters, 1 (11), 493–495. doi: https://doi.org/10.1007/bf00721938
  25. Podhurska, V., Vasyliv, B., Ostash, O., Brodnikovskyi, Y., Vasylyev, O. (2016). Influence of Treatment Temperature on Microstructure and Properties of YSZ–NiO Anode Materials. Nanoscale Research Letters, 11 (1). doi: https://doi.org/10.1186/s11671-016-1306-z
  26. Waldbillig, D., Wood, A., Ivey, D. G. (2005). Electrochemical and microstructural characterization of the redox tolerance of solid oxide fuel cell anodes. Journal of Power Sources, 145 (2), 206–215. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2004.12.071
  27. Vasyliv, B. D., Podhurska, V. Y., Ostash, O. P., Vira, V. V. (2018). Effect of a Hydrogen Sulfide-Containing Atmosphere on the Physical and Mechanical Properties of Solid Oxide Fuel Cell Materials. Springer Proceedings in Physics, 475–485. doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-92567-7_30
  28. Ropyak, L. Ya., Makoviichuk, M. V., Shatskyi, I. P., Pritula, I. M., Gryn, L. O., Belyakovskyi, V. O. (2020). Stressed state of laminated interference-absorption filter under local loading. Functional Materials, 27 (3), 638–642. doi: https://doi.org/10.15407/fm27.03.638
  29. Adams, J. W., Ruh, R., Mazdiyasni, K. S. (1997). Young’s modulus, flexural strength, and fracture of yttria-stabilized zirconia versus temperature. Journal of the American Ceramic Society, 80 (4), 903–908. doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1997.tb02920.x
  30. Lawn, B. (1993). Fracture of Brittle Solids. Cambridge University Press. doi: https://doi.org/10.1017/cbo9780511623127
  31. Peng, Z., Gong, J., Miao, H. (2004). On the description of indentation size effect in hardness testing for ceramics: Analysis of the nanoindentation data. Journal of the European Ceramic Society, 24 (8), 2193–2201. doi: https://doi.org/10.1016/s0955-2219(03)00641-1
  32. Gere, J. M., Timoshenko, S. P. (1997). Mechanics of Materials. Boston: PWS Publishing Company.
  33. Ivasenko, I. B., Posuvailo, V. M., Klapkiv, M. D., Vynar, V. A., Ostap’yuk, S. I. (2009). Express method for determining the presence of defects of the surface of oxide-ceramic coatings. Materials Science, 45 (3), 460–464. doi: https://doi.org/10.1007/s11003-009-9191-6
  34. Cherepova, T. S., Dmytrieva, H. P., Dukhota, O. I., Kindrachuk, M. V. (2016). Properties of Nickel Powder Alloys Hardened with Titanium Carbide. Materials Science, 52 (2), 173–179. doi: https://doi.org/10.1007/s11003-016-9940-2
  35. Spiridonova, I. M., Sukhovaya, E. V., Pilyaeva, S. B., Bezrukavaya, O. G. (2002). The use of composite coatings during metallurgical equipment parts repair. Metallurgicheskaya i Gornorudnaya Promyshlennost, 3, 58–61. Available at: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-0036961003&origin=resultslist
  36. Ropyak, L. Y., Shatskyi, I. P., Makoviichuk, M. V. (2017). Influence of the Oxide-Layer Thickness on the Ceramic-Aluminium Coating Resistance to Indentation. Metallofizika i noveishie tekhnologii, 39 (4), 517–524. doi: https://doi.org/10.15407/mfint.39.04.0517
  37. Shimada, M., Matsushita, K., Kuratani, S., Okamoto, T., Koizumi, M., Tsukuma, K., Tsukidate, T. (1984). Temperature dependence of Young’s modulus and internal friction in alumina, silicon nitride, and partially-stabilized zirconia ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 67 (2), C-23–C-24. doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1984.tb09612.x
  38. Cook, R. F., Pharr, G. M. (1990). Direct Observation and Analysis of Indentation Cracking in Glasses and Ceramics. Journal of the American Ceramic Society, 73 (4), 787–817. doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb05119.x
  39. Nastic, A., Merati, A., Bielawski, M., Bolduc, M., Fakolujo, O., Nganbe, M. (2015). Instrumented and Vickers Indentation for the Characterization of Stiffness, Hardness and Toughness of Zirconia Toughened Al2O3 and SiC Armor. Journal of Materials Science & Technology, 31 (8), 773–783. doi: https://doi.org/10.1016/j.jmst.2015.06.005
  40. Khajavi, P., Hendriksen, P. V., Chevalier, J., Gremillard, L., Frandsen, H. L. (2020). Improving the fracture toughness of stabilized zirconia-based solid oxide cells fuel electrode supports: Effects of type and concentration of stabilizer(s). Journal of the European Ceramic Society, 40 (15), 5670–5682. doi: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.05.042
  41. Faes, A., Nakajo, A., Hessler-Wyser, A., Dubois, D., Brisse, A., Modena, S., Van herle Jan. (2009). RedOx study of anode-supported solid oxide fuel cell. Journal of Power Sources, 193 (1), 55–64. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2008.12.118
  42. Railsback, J. G., Johnston-Peck, A. C., Wang, J., Tracy, J. B. (2010). Size-Dependent Nanoscale Kirkendall Effect During the Oxidation of Nickel Nanoparticles. ACS Nano, 4 (4), 1913–1920. doi: https://doi.org/10.1021/nn901736y
  43. Kharchenko, Y., Blikharskyy, Z., Vira, V., Vasyliv, B., Podhurska, V. (2020). Study of nanostructural changes in a Ni-containing cermet material during reduction and oxidation at 600 °C. Applied Nanoscience, 10 (12), 4535–4543. doi: https://doi.org/10.1007/s13204-020-01391-1
  44. Sung Oh, T., Cannon, R. M., Ritchie, R. O. (1987). Subcritical Crack Growth along Ceramic-Metal Interfaces. Journal of the American Ceramic Society, 70 (12), C-352–C-355. doi: https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1987.tb04917.x
  45. Sukhova, O. V. (2009). Influence of mechanisms of structure formation of interfaces in composites on their properties. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 31 (7), 1001–1012. Available at: https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-77952610806&origin=resultslist
  46. Ostash, O. P., Anofriev, V. H., Andreiko, I. M., Muradyan, L. A., Kulyk, V. V. (2013). On the concept of selection of steels for high-strength railroad wheels. Materials Science, 48 (6), 697–703. doi: https://doi.org/10.1007/s11003-013-9557-7
  47. Ritchie, R. O. (1999). Mechanisms of fatigue-crack propagation in ductile and brittle solids. International Journal of Fracture, 100, 55–83. doi: https://doi.org/10.1023/A:1018655917051
  48. Shabri, H. A., Othman, M. H. D., Mohamed, M. A., Kurniawan, T. A., Jamil, S. M. (2021). Recent progress in metal-ceramic anode of solid oxide fuel cell for direct hydrocarbon fuel utilization: A review. Fuel Processing Technology, 212, 106626. doi: https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2020.106626

##submission.downloads##

Опубліковано

2020-12-31

Як цитувати

Vasyliv, B., Kulyk, V., Duriagina, Z., Mierzwinski, D., Kovbasiuk, T., & Tepla, T. (2020). Оцінювання впливу redox-обробки на мікроструктуру та схильність до крихкого руйнування анодних матеріалів системи YSZ–NiO(Ni). Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6(12 (108), 61–71. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.218291

Номер

Том 6 № 12 (108) (2020): Матеріалознавство

Розділ

Матеріалознавство

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Bogdan Vasyliv, Volodymyr Kulyk, Zoia Duriagina, Dariusz Mierzwinski, Taras Kovbasiuk, Tetiana Tepla

Creative Commons License

Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.

Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.