PROPIEDADES MECÁNICAS A ESCALA NANOMÉTRICA DE YSZ Y GDC USADOS COMO ELECTROLITOS EN PILAS DE COMBUSTIBLE DE ÓXIDO SÓLIDO M. Morales 1,2 , J. J. Roa 1 , M. Martínez 1 , X. G. Capdevila 1 , M. Segarra 1 , S. Piñol 2 1 Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica, Universidad de Barcelona, C/ Martí i Franquès,1 08028 Barcelona, España. E-mail: mmorales@ub.edu 2 Instituto de Ciencia de los Materiales de Barcelona, ICMAB-CSIC Campus de la UAB, 08193 Bellaterra, Barcelona, España. E-mail: salva@icmab.es RESUMEN El objetivo del presente trabajo es evaluar y comparar las propiedades mecánicas de los electrolitos basados en la circona estabilizada con itria (“yttria stabilized zirconia”, YSZ) y ceria dopada con gadolinia (“gadolinia doped ceria”, GDC), para pilas de combustible de óxido sólido (SOFCs). Ambos materiales, de 200 μm de espesor, se conformaron mediante prensado uniaxial y sinterizaron a 1350ºC. La dureza (H), módulo de Young (E) y tenacidad a fractura (K IC ) de los mismos se determinaron mediante la técnica de nanoindentación instrumentada, usando una punta Berkovich de diamante, para diferentes cargas aplicadas: 5, 10, 30, 100, 500 y 650 mN. Las huellas residuales de las indentaciones han sido observadas mediante microscopia electrónica de alta resolución (FE-SEM). Los resultados de H, E y K IC del GDC fueron aproximadamente un 20% inferiores respecto a los del YSZ. ABSTRACT The main purpose of this work is to evaluate and compare the mechanical properties 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 conformed by uniaxial pressing and sintered at 1350ºC. The hardness (H), Young modulus (E) and fracture toughness (K IC ) were characterized by means of instrumented indentation technique, using a Berkovich diamond tip, to different applied loads: 5, 10, 30, 100, 500 y 650 mN. The residual imprints were observed by field emission scanning electron microscope (FE-SEM). The results of H, E and K IC of GDC were around 20% lower than YSZ. PALABRAS CLAVE: Pilas de combustible de óxido sólido, Indentación Berkovich, Propiedades mecánicas. 1. INTRODUCCIÓN En los últimos años, las pilas de combustible de óxido sólido (SOFCs) se han convertido en una prometedora alternativa a los sistemas actuales de generación de electricidad. Estos dispositivos se basan en la conversión de energía química en eléctrica de forma directa, empleando un combustible tal como hidrógeno, hidrocarburo o alcohol, y oxígeno como gas oxidante, lo cual permite la obtención de elevadas eficiencias así como de bajas emisiones contaminantes y acústicas [1]. En general, las celdas de combustible constan básicamente de un ánodo donde el combustible es oxidado, un cátodo en el que el oxígeno es reducido y un electrolito. En las SOFCs, que operan a temperaturas relativamente elevadas (500-900ºC), el electrolito es un cerámico que separa los electrodos, los aísla eléctricamente y forma un puente iónico entre ellos. Las moléculas de oxígeno contenidas en el aire (oxidante), se reducen en el cátodo de la celda transformándose en iones O 2- , los cuales migran hacia el otro electrodo de la celda, el ánodo, a través del electrolito. Finalmente, en el ánodo, los iones O 2- reaccionan con el combustible (H 2 , hidrocarburo o alcohol) para producir agua y/o CO 2 así como corriente eléctrica [2]. Usualmente, las SOFCs emplean electrolitos sólidos de circona estabilizada en fase cúbica con itria (YSZ, “yttria stabilized zirconia”), con una composición de 8- 10% molar de Y 2 O 3 , ya que presentan una elevada conductividad iónica a temperaturas de 800-1000°C [2]. La generación de vacantes en la red cristalina, es el mecanismo que permite la conducción de los iones O 2- , debido a la substitución parcial de circonio (4+) por otro elemento de menor valencia, el itrio (3+). Un tema de gran interés tecnológico, en el campo de las SOFCs, es el desarrollo de nuevos materiales para ser empleados como electrolito y/o electrodos adecuados para reducir la temperatura de operación de las celdas; de esta manera se evitan problemas de degradación por Anales de Mecánica de la Fractura 26, Vol. 2 (2009) 543