Thermo-mechanical properties of mixed ion electron conducting membrane materials

Huang, Bingxin; Beck, Tilmann

doi:30859

Thermo-mechanical properties of mixed ion electron conducting membrane materials = Thermo-mechanische Eigenschaften von mischleitenden Membran-Materialien

Huang, Bingxin (Author)

2010

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Bingxin, Huang

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2010

Umfang130 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Beck, Tilmann (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-07-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-34419
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/63758/files/3441.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet für Hochtemperatur-Werkstoffmechanik / Allgemeine Mechanik (FZ Jülich) (418420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Brown-Membrane (Genormte SW) ; Naturwissenschaften (frei) ; membrane (frei) ; perovskite (frei) ; mechanical property (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500
pacs: 62.20.-x

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit den thermomechanischen Eigenschaften von La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-delta (LSCF) und Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-delta (BSCF) – Perovskit-Materialien, die als Sauerstoff-Transport-Membrane (OTM) zur Gastrennung in Betracht gezogen werden. Doppelring-Biege-Tests an scheibenförmigen Proben und instrumentiertes Mikro-Indentionsverfahren wurden als makroskopische beziehungsweise mikroskopische Tests verwendet. Zusätzlich wurden die thermomechanischen Eigenschaften eines dritten möglichen OTM-Materials La2NiO4+delta (LNO) untersucht. Die Ergebnisse der thermomechanischen Messungen des BSCF zeigten eine Anomalie zwischen 200°C und 400°C. Insbesondere der temperaturabhänige E-Moduls zeigt ein Minimum um ~ 200°C. Bruchspannung und Härte weisen ein qualitativ gleiches Verhalten mit einem Minimum zwischen 200°C und 400°C auf, bevor sie sich zwischen 500°C und 800°C erholen. Röntgenbeugunsanalysen bestätigten, dass BSCF im relevanten Temperaturbereich kubisch bleibt. Daher wurde angenommen, dass die Anomalien mit einem Spinübergang des Co3+ zusammenhängen, welcher bereits für andere Co-haltige Perovskite berichtet wurde. Diese Annahme konnte experimentell durch Messung der magnetische Suszeptibilitätsmessungen bestätigt werden. Der Bruchweg der Proben wurde durch die mechanischen Anomalien nicht beeinflusst, es wurde nur ein transkristalliner Bruchmodus beobachtet. Ergänzend zur mechanischen Charakterisierung des BSCF wurde auch für LSCF auch die Temperaturabhänigkeit der Bruchspannung und der Steifigkeit ermittelt. Die Phasen-zusammensetzung des LSCF wurde ‘in-situ‘ mit einem Hochtemperatur-Röntgendiffraktometer (XRD) bestimmt. Es wurden Veränderungen der Phasen-zusammensetzungen in Abhänigkeit der Temperatur festgestellt. Bei Umgebungstemperatur besteht das LSCF-Perovskit-Material aus zwei Phasen mit: rhomboedrische und kubische Symmetrie. Das Verhältnis der beiden Phasen zu hängt sowohl von der Abkühlgeschwindigkeit als auch von der Atmosphäre ab. Der Übergang von rhomboedrisch zu kubisch erfolgt in Luft zwischen 700°C und 800°C. Der Übergang scheint mit einer Veränderung der Wärmekapazität einherzugehen. Die Bruchspannung von LSCF wurde mittels Doppelring-Biege-Tests zwischen Raumtemperatur (RT) und 800°C bestimmt. Unterhalb 700°C erhält man nichtlineare Last-Durchbiegungskurven; ein Effekt, welcher der Ferroelastizität der rhomboedrischen Phase zugeordnet werden kann. Sowohl REM als auch TEM untersuchungen bestätigen die Existenz einer Domain-Struktur in den rhomboedrischen Körnern. Der Einfluss der thermischen Vorgeschichte auf die Phasenzusammensetzung und das sich daraus ergebende thermomechanische Verhalten werden diskutiert. Die Härteeindrucks-Bruchzähigkeit ist unempfindlich gegenüber Temperaturveränderungen zwischen RT und 350°C zu sein. Zusätzlich zu den zwei perovskitischen Materialien wurden auch die mechanischen Eigenschaften von LNO untersucht. Bruchspannung und Steifigkeit von LNO wurden mittels 4-Punkt-Biegetest von RT bis 900°C ermiettelt. Die beiden Parameter steigen von RT bis 700°C leicht an. Die Steifigkeit nimmt jedoch bei noch höheren Temperaturen ab, wohingegen die Bruchspannung ansteigt. Obwohl bis 1000°C kontinuierlich Sauerstoff aus dem Kristallgitter abgegeben wird, zeigt der thermische Ausdehnungskoeffizient einen nahezu konstanten Wert von RT bis 1000°C. Abschließend werden die mechanischen Ergebnisse der drei Membranmaterialien zusammengefasst und im Hinblick auf die praktische Anwendung in der Gastrennung verglichen.

The thesis presents thermo-mechanical properties of La0.58Sr0.4Co0.2Fe0.8O3-delta (LSCF) and Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-delta (BSCF) perovskite materials, which are considered as oxygen transport membranes (OTM) for gas separation units. Ring-on-ring bending test with disk-shaped samples and depth-sensitive micro-indentation have been used as macroscopic and microscopic tests, respectively. In addition, the thermo-mechanical properties of a third OTM candidate material La2NiO4+delta (LNO) were investigated.The results of the thermo-mechanical measurements with the BSCF revealed an anomaly between 200°C and 400°C. In particular, the temperature dependence of Young’s modulus shows a minimum at ~ 200°C. Fracture stress and toughness exhibit a qualitatively similar behavior with a minimum between 200°C and 400°C, before recovering between 500°C and 800°C. X-ray diffraction analyses verified that BSCF remains cubic in the relevant temperature range. Hence the anomalies were assumed to be related to the transition of Co3+ spin states reported for other Co-containing perovskites. This assumption could be experimentally confirmed by magnetic susceptibility measurements. The fracture surfaces of the specimens are not affected by the mechanical anomalies at intermediate temperatures, since only a transgranular fracture mode has been observed. Complementary to the mechanical characterization of BSCF, also the temperature dependency of fracture stress and elastic behavior of LSCF have been determined. Phase compositions of LSCF have been studied by in-situ high temperature XRD. Changes in phase composition with temperature are observed. At ambient temperature the LSCF perovskite material comprises two phases: rhombohedral and cubic symmetry. The ratio of the two phases depends on both cooling rate and atmosphere. The transition of rhombohedral to cubic occurs between 700°C and 800°C in air. The transition appears to be associated with a change of heat capacity. The fracture stress of LSCF was determined on the basis of ring-on-ring bending tests between room temperature (RT) and 800°C. Below 700°C non-linear load-displacement curves are obtained, an effect that is attributed to the ferro-elasticity of the rhombohedral phase. Both SEM and TEM verify the existence of a domain structure in the rhombohedral grains. The importance of thermal history on phase composition and the resulting thermo-mechanical behavior is discussed. The indentation fracture toughness appears to be insensitive to temperature variations from RT up to 350°C. In addition to the two perovskite materials also mechanical properties of LNO have been determined. Fracture stress and stiffness of LNO were evaluated from RT up to 900°C based on 4-point bending tests. Both mechanical parameters increase slightly from RT to 700°C. However, at higher temperatures the stiffness decreases, whereas the fracture stress increases. Although oxygen is continuously released from the lattice up to 1000°C, the thermal expansion coefficient shows an almost constant value from RT up to 1000°C. Finally the mechanical results of the three membrane materials are summarized and compared with respect to practical application in gas separation units.

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