Preparation and ion conductivity of nano to micron grains size Bi2O3-Ln2O3 (Ln=Dy, Y, Er) ceramics

• Main Author: Li, Rong
• Other Authors: Lille 1
• Language: en
• Published: 2009
• Subjects: Oxyde de bismuth; Frittage
• Online Access: http://www.theses.fr/2009LIL10141/document

L’objectif de ce travail était l’étude de l’effet de la taille des grains de céramiques à base d’oxyde de bismuth sur les propriétés de conduction ionique. Avec pour objectif la préparation de céramiques denses avec des grains de taille nanométrique, des poudres de composition (Bi2O3)0.75(Dy2O3)0.25, (Bi2O3)0.75(Er2O3)0.25, (Bi2O3)0.75(Y2O3)0.25 et (Bi2O3)0.75(Er2O3)0.125(Y2O3)0.125 ont été préparées avec succès par une méthode de dosage en retour. Des poudres avec des grains mono-cristallins d’environ 20 nm ont été obtenues, à partir desquelles, des céramiques denses ont ensuite été préparées par frittage conventionnel et par « Spark Plasma Sintering ». Par les deux méthodes, des céramiques de densités relatives supérieures à 94% sont obtenues. Par SPS, la taille des grains est de 20nm seulement. Elle varie de 60 à 500nm par frittage conventionnel pour lequel une croissance des grains contrôlée par le transport de matière aux joints de grain est démontrée.L’effet de la taille des grains sur la conductivité a finalement été étudié par spectroscopie d’impédance. Une diminution de la conductivité avec la taille des grains est généralement observée, probablement due au caractère bloquant des joints de grain. En revanche, la composition (Bi2O3)0.75(Dy2O3)0.25 avec des grains de 22nm présente des conductivités au dessus de celles de la céramique de même composition avec des grains de 62nm et une meilleure séparation des réponses dues aux grains et aux joints de grains. Pour des tailles de grains aussi faibles, les couches d’espace de charge entre les grains ne peuvent plus être négligées et le phénomène observé est probablement dû à une augmentation de la conductivité dans ces couches. === The aim of this work was the study of the effect of the grain size of bismuth based oxide ceramics on the ionic properties. With the aim to prepare dense ceramics with controlled grain size at the nano-scale, nano-powders of (Bi2O3)0.75(Dy2O3)0.25, (Bi2O3)0.75(Er2O3)0.25, (Bi2O3)0.75(Y2O3)0.25 and (Bi2O3)0.75(Er2O3)0.125(Y2O3)0.125 compositions were successfully prepared by a reverse chemical titration method. As shown by XRD and TEM, after annealing for 3 hours at 500°C, powders with single crystal grains with size of about 20nm were obtained. At that stage, a b-form was evidenced for all compositions.Then, conditions of sintering were optimized. Two techniques were used: pressureless sintering in a conventional furnace and Spark Plasma Sintering (SPS). In both methods, it led to ceramics with relative density higher than 94%. The grain size was only 20nm by SPS. It ranges from 60nm to 500nm by conventional sintering, for which it was shown that the grain growth was controlled by mass transport through the grain boundaries. The effect of grain size on total ionic conductivity was studied by impedance spectroscopy for all compositions. For most compositions, a decrease of total ionic conductivity with grain size was observed due to a predominant blocking effect of grain boundary when grain size decreases. However (Bi2O3)0.75(Y2O3)0.25 with grain size of 22nm showed a better conductivity than ceramics with grain size of 62nm and a better separation of bulk and grain boundary response. At such a low size, the space charge layers effect between grains can not be neglected anymore and the observed increase in conductivity is likely the results of an increase of the conductivity in this space charge layers.