Boletín de la Sociedad Española de Cerámica y Vidrio (Feb 2010)
Determinación de las propiedades mecánicas y mecanismos de fractura de electrolitos soportados de YSZ y GDC mediante ensayos de indentación instrumentada
Abstract
The main purpose of this work is to evaluate the different mechanical properties and the different fracture mechanisms activated during the intrumented indentation process of the electrolytes based on yttria stabilized zirconia (YSZ) and gadolinia doped ceria (GDC), for solid oxide fuel cells (SOFCs). Both materials, with a thickness of 200 μm, were shaped by uniaxial pressing at 500 MPa, and sintered at 1400ºC. Mechanical properties such as hardness (H) and Young’s modulus (E) have been studied at different penetration depths using the Oliver and Pharr equations. The different fracture mechanisms activated during the instrumented indentation process have been studied at constant penetration depth of 500 nm, performed with a diamond Berkovich tip indenter. The residual indentation imprints have been observed with atomic force microscopy (AFM). The hardness and Young’s modulus for YSZ electrolytes are higher than for GDC materials, due to the different fracture mechanism activated during the indentation process. As a result, the electrolytes of YSZ presented trans- and intergranular fracture mechanisms, depending on the place of the residual indentation imprint (in the grain boundary or in the middle of the grain, respectively). However, the GDC electrolyte revealed radical cracks at the corners of the residual nanoindentation imprints, thus producing a phenomenon known as chipping.<br><br>El objetivo del presente trabajo es evaluar las propiedades mecánicas, así como los diferentes mecanismos de fractura activados mediante ensayos de indentación instrumentada, de electrolitos basados en circona estabilizada con itria (<i>“yttria stabilized zirconia”</i>,YSZ) y ceria dopada con gadolinia (<i>“gadolinia doped ceria”</i>, GDC), para pilas de combustible de óxido sólido, SOFCs. Ambos materiales, con un espesor final de 200 μm, se conformaron mediante prensado uniaxial a 500 MPa y se sinterizaron a 1400ºC. Propiedades mecánicas tales como la dureza (H) y el módulo de Young (E) han sido estudiadas a diferentes profundidades de penetración utilizando el algoritmo de Oliver y Pharr. La activación de los diferentes mecanismos de fractura, a una profundidad de penetración constante de 500 nm, se ha realizado mediante la técnica de indentación instrumentada, usando un indentador Berkovich de diamante. Las diferentes huellas residuales han sido visualizadas mediante microscopia de fuerzas atómicas (AFM). Se ha podido observar que tanto H como E para los electrolitos de YSZ son mayores que para el caso de los electrolitos de GDC. Esta diferencia se atribuye a los diferentes mecanismos de fractura inducidos mediante los ensayos de indentación. Se ha observado que los electrolitos de YSZ presentan dos mecanismos de fractura, tanto trans- como intergranular, dependiendo de si la indentación residual se realiza en el límite o en el centro del grano, respectivamente. Sin embargo, los electrolitos de GDC presentan la generación de microgrietas radicales en los vértices de la indentación, produciendo mecanismos de desconchamiento en la zona colindante a la indentación.
