[논문 리뷰] Influence of additives (CoO, CaO, B2O3) on thermal and dielectric properties of BaO-Al2O3-SiO2 glass-ceramic sealant for OTM applications

Adrian Iulian Borhan, Magdalena Gromada외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 13.

Thermal Expansion and Ionic Conductivity참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 산소 이송 막(OTM) 응용 분야에서 사용되는 밀봉제로 사용하기 위한 BaO-Al2O3-SiO2 (BAS) 유리세라믹의 열적 및 유전적 성질에 대한 CoO, CaO 및 B2O3 첨가제의 영향을 조사한다. B2O3를 다량 함유한 변형(BABS)은 연성 온도가 675°C로 낮고, 수축률이 25%이며, 유전율이 높고(67.8), 손실이 낮아(10 MHz에서 0.029) 우수한 밀봉 성능을 보이며, 밀도 향상과 전기적 성능 향상으로 인해 OTM 밀봉제로 최적임을 나타낸다.

ABSTRACT

The efficiency of glass ceramic sealants plays a crucial role in high temperature applications performance and durability, such as oxygen separation from air. In order to develop suitable sealants, operating at about 950C, several glass-ceramics with different compositional additives and ratios in BAS system have been prepared and investigated. The effects of additive oxides, CaO, CoO, B2O3, as network modifiers on the thermal and dielectric properties of BAS glass-ceramic for further oxygen transport membrane OTM applications were evaluated and discussed. The addition of additives has evident effects on the main crystalline phases and physical properties of the glass-ceramics. Among these systems, B2O3-rich BAS system, BABS, can be densified at the sintering temperature below 700C through viscous sintering. Also, BABS shows the lowest dilatometric softening temperature at 675C, which can be explained by a fast densification associated with a shrinkage of 25 percents. It has highest conductivity, a high dielectric constant of 67.8 and a loss of 0.029 at 10MHz, which provide an attractive feature for many technological applications. The electrical results obtained for BABS glass-ceramic are consistent with the typical requirements for an excellent sealant. However, considering all other properties investigated, only B2O3-rich BAS meets the requirements for use as a sealant for BSCF membrane. Low softening temperature of BABS opens more ways for adding additives to tailor its functional properties, which enable for using as sealant material for OTM applications.

연구 동기 및 목표

• 약 950°C에서 작동하는 산소 이송 막(OTM) 응용 분야를 위한 고성능 유리세라믹 밀봉제를 개발하기 위해.
• CoO, CaO 및 B2O3 첨가제가 BaO-Al2O3-SiO2 (BAS) 유리세라믹의 열적 및 유전적 성질에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• BSCF 기반 OTM 막을 밀봉하기 위한 최적의 소결 거동, 열적 안정성 및 전기적 성능을 갖춘 조성을 규명하기 위해.
• 높은 밀도화와 우수한 인터페이스 결합을 위한 저연성 온도 및 고밀도화를 달성하여 고온 환경에서의 장기 내구성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• CoO, CaO 및 B2O3 첨가량을 다양하게 조절한 BAS 기반 유리세라믹 조성의 합성.
• B2O3를 다량 포함한 조성의 밀도화를 위해 700°C 이하에서 점성 소결 기법을 적용.
• 열처리 공정 창의 평가를 위해 팽창 측정법을 이용한 연성 온도 측정.
• 10 MHz에서의 유전율 및 손실 탄성률 측정을 통한 유전적 성질 분석.
• X선 회절 및 열분석을 통한 결정상 규명 및 열처리 중 상 변화 분석.
• 미세구조, 열적 거동 및 전기적 성능 간의 상관관계 분석을 통해 최적의 밀봉제 조성 도출.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CoO, CaO 및 B2O3 첨가제는 BAS 유리세라믹의 연성 온도 및 밀도화 거동에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 이 첨가제들은 유리세라믹 밀봉제의 결정상 형성 및 미세구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 첨가제 조성에 따라 유전 성질(유전율 및 손실 탄성률)은 어떻게 변화하는가. 특히 10 MHz에서의 변화는 어떠한가?
• RQ4 어느 첨가제 조성이 OTM 밀봉 응용 분야에서 최적의 저연성 온도, 고밀도화 및 유리한 전기적 성능 조합을 제공하는가?
• RQ5 B2O3 다량 함유 조성은 기계적 및 전기적 안정성을 유지하면서도 OTM 밀봉제의 가공 온도를 낮추는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• B2O3 다량 함유 BAS 시스템(BABS)은 연구된 모든 조성 중에서 가장 낮은 팽창 측정 연성 온도 675°C를 기록하였다.
• BABS는 700°C 이하에서 점성 소결을 통해 소결 중 25%의 선형 수축을 나타내어 빠른 밀도화를 보였다.
• BABS는 10 MHz에서 높은 유전율(67.8)과 낮은 유전 손실(0.029)을 나타내어 뛰어난 전기적 밀봉 성능 요구 조건을 충족하였다.
• B2O3 첨가로 소결 온도가 크게 감소하고 밀도화가 향상되어 BSCF 막과의 보다 우수한 인터페이스 결합이 가능해졌다.
• 시험된 첨가제 중에서 B2O3가 OTM 밀봉제 응용 분야에서 열적, 미세구조적 및 유전적 성질의 가장 유리한 균형을 제공하였다.
• BABS 조성이 저가공 온도와 높은 전기적 성능을 동시에 확보하여 기능성 밀봉제로 가장 높은 잠재력을 보였다.