[論文レビュー] 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 Gromada+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

Thermal Expansion and Ionic Conductivity参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、酸素輸送膜（OTM）応用におけるシール材としてのバリアウムアルミナケイ酸ガラスセラミックス（BAS）の熱的および誘電的特性に及ぼすCoO、CaO、B2O3添加剤の効果を調査した。B2O3含有量の多いバージョン（BABS）は、675°Cという低い軟化温度、25％の収縮、高い誘電定数（67.8）、および10 MHzにおける低い損失（0.029）を示し、緻密化と電気的性能が向上しているため、OTM用シール材として最適であることがわかった。

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.

研究の動機と目的

• 約950°Cで動作する酸素輸送膜（OTM）用高機能ガラスセラミックスシール材の開発を目的とする。
• CoO、CaO、B2O3添加剤がバリアウムアルミナケイ酸ガラスセラミックス（BAS）の熱的および誘電的特性に与える影響を評価することを目的とする。
• BSCFベースのOTM膜をシールするのに最適な焼結挙動、熱的安定性、および電気的性能を有する組成を特定することを目的とする。
• 低軟化温度と高緻密化を達成し、高温環境下での界面結合強化と長期的耐久性を向上させることを目的とする。

提案手法

• CoO、CaO、B2O3の添加量を変化させた複数のBASベースのガラスセラミックス組成の合成。
• B2O3含有量の多い組成を700°C未満の温度で粘性焼結により緻密化。
• 熱処理範囲の評価のため、体積変化測定による軟化温度の測定。
• 10 MHzにおける誘電定数および損失正 tangent の測定による誘電的特性の特徴付け。
• X線回折および熱分析を用いて結晶相の同定と熱処理中の相変化の特定。
• 微細組織、熱的挙動、電気的性能の相関関係を評価し、最適なシール材組成を特定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CoO、CaO、B2O3添加剤は、BASガラスセラミックスの軟化温度および緻密化挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ2 これらの添加剤は、ガラスセラミックスシール材の結晶相形成および微細組織にどのような影響を与えるか？
• RQ3 添加剤組成に応じて、誘電特性（誘電定数および損失正 tangent ）はどのように変化するか、特に10 MHzにおける挙動は？
• RQ4 どの添加剤組成が、低軟化温度、高緻密化、および望ましい電気的性能の最良の組み合わせを示すか？
• RQ5 B2O3含有量の多い組成は、OTMシール材としての機械的および電気的整合性を維持しつつ、低処理温度を実現できるか？

主な発見

• B2O3含有量の多いBAS系（BABS）は、測定されたすべての組成の中で最も低い体積変化軟化温度675°Cを達成した。
• BABSは焼結中に25％の線形収縮を示し、700°C未満で粘性焼結による急速な緻密化が進行していることを示した。
• BABSは誘電定数67.8および10 MHzにおける低い誘電損失0.029を示し、優れた電気的シール材性能を満たす要件を満たしていた。
• B2O3の添加により焼結温度が顕著に低下し、緻密化が向上した。これにより、BSCF膜との良好な界面結合が可能になった。
• 試験された添加剤の中で、B2O3がOTMシール材応用に最も望ましい熱的・微細組織的・誘電的特性のバランスを提供した。
• BABS組成は、低処理温度と優れた電気的性能を備えており、機能的シール材としての最高の可能性を示した。