Mechanical properties and microstructure of dense ceramic membranes for oxygen separation in zero-emission power plants

Rutkowski, Bogdan; Beck, Tilmann

doi:999910302152

Mechanical properties and microstructure of dense ceramic membranes for oxygen separation in zero-emission power plants = Mechanische Eigenschaften und Mikrostruktur von dichten keramischen Sauerstoffseparations-Membranen für das emissionsfreie Kraftwerk

Rutkowski, Bogdan

2013

VerantwortlichkeitsangabeBogdan Rutkowski

ImpressumKraków : Wydawnictwo Naukowe AKAPIT 2013

Umfang145 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-83-63663-12-4

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch. und Krakau, Akademie für Bergbau und Hüttenwesen, Diss., 2012

Cotutelle-Dissertation. - Zsfassung in dt., engl. und poln. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Beck, Tilmann (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-12-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45156
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/211861/files/4515.pdf

Einrichtungen

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

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Perowskit (Genormte SW) ; Kraftwerk (Genormte SW) ; Membran <Verfahrenstechnik> (Genormte SW) ; Kriechen (Genormte SW) ; Kriechfestigkeit (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; BSCF (frei) ; Keramische Membranen (frei) ; XA-PL (frei) ; oxygen transport membrane (frei) ; power plant (frei) ; zero-emission (frei) ; creep resistance (frei) ; Perovskite (frei) ; AGH-UST (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: Zl * ZP

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden mechanische Eigenschaften sowie Mikrostruktur von Perowskitstrukturierten dichten keramischen Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-delta (BSCF 5582) Membranen für die Anwendung als Sauerstofftrennmembran untersucht. Die Herstellung des Materials erfolgt beim Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS), Hermsdorf, Deutschland. Einachsige Hochtemperaturbelastungstests, erlaubten eine genaue Ermittlung von Materialkriechfestigkeit bei unterschiedlichen Belastungen und Sauerstoffpartialdrücken im anwendungsrelevanten Temperaturbereich für die röhrenförmigen Proben. Darüber hinaus ermöglichten die Tests eine Bewertung des Einflusses der Korngröße auf das Kriechverhalten. Das Kriechverhalten des BSCF-5582-Materials wurde mathematisch durch eine Standardkriechgleichung in Abhängigkeit von Temperatur, Spannung, Sauerstoffdruck und Korngröße, erfasst. Die Ergebnisse der im Vakuum durchgeführten Kriechversuche bestätigten die Existenz von zwei Kriechregimen, die durch verschiedene Aktivierungsenergie gekennzeichnet sind. Die Übergang der Kriechmechanismen tritt bei etwa 800°C auf. Das Kriechverhalten in der Luft ist jedoch noch viel komplizierter: für die Kriechuntersuchungen, die während Aufheizsequenz durchgeführt wurden, zeigten sich wieder wie unter reduzierten Sauerstoffpartialdrücken zwei Kriechregime mit unterschiedlichen Aktivierungsenergien. Jedoch ist die Übergangstemperatur zu 850°C verschoben. Dieser Unterschied kann mit einer Materialinstabilität und der Bildung einer Hexagonal-Phase in Verbindung gebracht werden. Darüber hinaus wurde eine Hysterese-Kriechrate um die 850°C beobachtet, die während der Abkühlung zu deutlich höheren Kriechrate führte. Um die Kriechergebnisse für die Luft zu überprüfen, wurden zusätzlich BSCF-5582-Proben in zylindrischer Geometrie getestet. Zusätzlich wurden Kriechversuche an einem neu entwickelten BaCo0.4Fe0.4Zr0.2O3-delta (BCFZ) Material durchgeführt. Ergänzend zu Kriecharakterisierung erfolgten auch Biegeversuche an O-Ring-Proben, die eine Bestimmung der Temperaturabhängigkeit von Elastizitätsmodul und Festigkeit erlaubten. Nachfolgende fraktographische Analysen bestätigten längliche Poren und Agglomerate als Bruchursprung. Zusätzlich ergaben die mikromechanischen Messungen Mikrohärte und Elastizitätsmodul bei Raumtemperatur. Um Informationen über Materialstabilität zu gewinnen wurden Langzeitauslagerungen (2 Wochen) in der Luft im anwendungsrelevanten Temperaturbereich (750-950°C) durchgeführt. Diese Studien wurden durch eine qualitative mikrostrukturelle Untersuchung mittels Lichtmikroskopie ergänzt und weisen auf signifikante Materialsinstabilitäten hin. Ausscheidungen von hexagonaler Phase wurden nach Auslagerung in der Luft bei 850°C gefunden und der Volumenanteil dieser Phase scheint temperaturabhängig zu sein (mit einem Maximum bei 750°C). Die Analyse der Mikrostruktur der Rohre, die in einem Demonstrator unter Anwendungen kraftwerkstypischer Bedingungen betrieben wurde, ermöglichte eine Untersuchung der mikrostrukturellen Veränderungen des Materials und eine Ermittlung des axialen Temperaturprofils der Rohre im Demonstratortest. Schließlich wurden alle Ergebnisse zusammengefasst und Schlussfolgerungen gezogen.

In the present work, the mechanical properties as well as microstructure of perovskite-structured Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-delta (BSCF 5582) dense ceramic membranes for oxygen separation were investigated. The main supplier of the material was the Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme (IKTS), Hermsdorf, Germany. High temperature uniaxial compressive tests on tubular specimens allow the precise determination of material's creep resistance under varied load in the wide range of application relevant temperatures and various oxygen partial pressures. Additionally, it allows to establish the influence of grain size on creep. The results of the creep test were described by the steady state creep equation, which allows to predict the creep resistance of the material under varied conditions (like: stress, oxygen pressure, grain size, temperature). Creep tests performed in vacuum, revealed the existence of two creep regimes, characterised by different activation energy. Change of creep mechanism occurs at around 800°C. In air, creep behavior is much more complicated: during heating sequence, also two regimes are visible, however transition temperature is shifted to 850°C. This difference is related to materials instability and hexagonal phase formation. Moreover, hysteresis was found - creep rates obtained at 850°C during cooling sequence are significantly higher than one obtained during heating. In order to verify creep results obtained for air, additional specimens with cylindrical geometry were tested. Furthermore, additional creep tests were conducted on a newly developed BaCo0.4Fe0.4Zr0.2O3-delta (BCFZ) material. Complementary to creep characterization, also bending test on O-ring specimens, machined from tubes, were carried out. Temperature dependence of Young's modulus and strength were established. Subsequent fractographic analyses revealed elongated pores and agglomerates as fracture origins. Additionally, micromechanical measurements provided information concerning the micro-hardness and Young's modulus at the room temperature. In order to gain information about material stability, a long-term (2 weeks) annealing of BSCF 5582 in the air in the range of application-relevant temperatures (750-950°C) was performed. The study was complemented by qualitative microstructural investigation performed by means of light microscopy and revealed significant material instability. Precipitates of hexagonal phase are present after annealing in air below 850°C, and their volume fraction is temperature-dependent (maximum occurs at 750°C). Post operation analysis of tubes operated in a demonstration unit under conditions expected in a real power-plant operation allows to investigate microstructural changes in the material and find the axial temperature profile in the membrane tube. Finally, all collected results were summarized and conclusions were drawn.

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