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B O L E T I N D E L A S O C I E DA D E S PA Ñ O L A D E

Cerámica y Vidrio
A R T I C U L O

Determinación de las propiedades mecánicas y mecanismos de fractura de electrolitos soportados de YSZ y GDC mediante ensayos de indentación instrumentada
J.J. ROA*, M. MORALES, X. G. CAPDEVILA, M. SEGARRA
Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica, Universidad de Barcelona,C/ Martí i Franquès, 1, 08028 Barcelona, España * e-mail: joanjosep_roa@ub.edu

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 (“yttria stabilized zirconia”,YSZ) y ceria dopada con gadolinia (“gadolinia dopedceria”, 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 diferentesmecanismos 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 loselectrolitos 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 GDCpresentan la generación de microgrietas radicales en los vértices de la indentación, produciendo mecanismos de desconchamiento en la zona colindante a la indentación. Palabras clave: Mecanismos de fractura, electrolitos, circona estabilizada con itria, ceria dopada con gadolinia, indentación instrumentada. Determination of the mechanical properties and fracture mechanisms of YSZ and GDC forelectrolyte-supported SOFCs by instrumented indentation test 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, wereshaped 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 diamondBerkovich 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 theresidual 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. Keywords: fracture mechanisms, electrolytes, yttria stabilized zirconia, gadolinia doped ceria, instrumented indentation. 1. INTRODUCCIÓN Una...