摘要
摘要
燃料电池作为新一代发电技术，因其高能量转化率以及污染小等优点，受
到了人们的关注。其中，固体氧化物燃料电池（SOFC）因其材料成本低，能量
转化率高，燃料适应性强等优点，成为最有应用前景的燃料电池之一。在SOFC
中，电解质层的强度及功能阳极层中金属-陶瓷界面的强度往往是影响其服役寿
命的关键；此外，阳极层中金属-陶瓷界面具有较大的比表面积，因此对阳极结
构整体力学和热学性能的影响明显。虽然传统实验和模拟方法能够对SOFC电
解质的力学和热学性能进行测量与计算，但是很难对SOFC工作过程中复杂化
学反应所引起的材料性质的变化加以考虑；同时，传统实验也很难对阳极中金
属-陶瓷界面的力学和热学性能进行测量。为此，本文通过结合分子动力学模拟、
微纳米实验和多尺度模拟方法对氧化钇稳定氧化锆(YSZ)电解质以及金属镍
(Ni)与YSZ所构成界面的力学和热学性能进行了研究，系统分析了高温和化学
反应对电解质和Ni/YSZ界面力学和热学性能的影响。论文主要研究内容如下：
力学性能研究方面，通过反应力场分子动力学模拟，研究了YSZ在单轴拉
伸下的力学响应，分析了不同晶向结构的力学性能，并通过与实验结果比较验
证了模拟结果的可靠性。在此基础上进一步研究了掺杂率及温度等因素对不同
晶向YSZ力学性能的影响，并通过拟合分子动力学模拟结果，得到了可用于快
速预测不同温度和掺杂率下YSZ力学性能的预测公式。此外，通过模拟SOFC
真实工作中的高温和化学反应环境，探究了高温和化学反应对不同晶向YSZ力
学性能的影响，同时结合模拟过程中不同晶面的结构变化，分析了化学反应对
于其力学性能的影响机制。研究结果不仅有助于对SOFC工作过程中YSZ电解
质微结构演化的进一步了解，同时可为设计性能稳定可靠的电解质材料提供理
论指导。
通过纳米压痕实验和分子动力学模拟相结合的方法，研究了单晶和多晶
YSZ的力学性能和变形行为。通过对比实验和模拟结果，证明了分子动力学模
拟方法在YSZ杨氏模量和硬度等力学性能研究中的准确性。通过分子动力学模
拟，进一步揭示了晶粒尺寸变化和晶界存在所导致的多晶与单晶YSZ不同的变
形行为，研究了温度和晶粒尺寸对多晶YSZ杨氏模量和硬度的影响，探究了具
不同晶粒尺寸的多晶YSZ力学性能差异产生的原因并解释了其不同的变形机
制。该研究对于进一步理解单晶和多晶YSZ的力学性能的差异具有理论指导意
义。
-I-
哈尔滨工业大学博士学位论文
同样使用纳米压痕实验和分子动力学模拟相结合的方法，研究了界面效应
对阳极中金属-陶瓷(Ni-YSZ)结构力学性能的影响。发现界面对于其附近Ni的
力学性能具有强化作用而对YSZ具有弱化作用，并通过分子动力学模拟中界面
附近Ni和YSZ不同的变形行为解释了造成这一现象的原因。同时，基于分子
动力学模拟结果，提出了界面势垒模型及考虑结构柔度的力学模型，并结合实
验结果得到了界面附近材料硬度与弹性模量的解析表达式。该结果可为Ni-YSZ
结构连续介质力学模型中的界面描述提供力学参数，因此将有助于进一步提高
Ni-YSZ结构介观与宏观模型的准确性。
热学性能研究方面，通过反应力场分子动力学模拟和瞬态激光热反射实验，
研究了具不同界面结构的Ni/YSZ界面的界面热阻。利用双温模型对非平衡态
分子动力学模拟中的热阻结果进行了修正，发现修正后模拟结果与实验结果吻
合，证明了模拟的可靠性。在此基础上，研究了温度和化学反应等因素对不同
类型Ni/YSZ界面的界面热阻的影响，探究了不同氢气浓度下界面热阻的差异，
并分析了化学反应和氢气浓度引起界面热阻变化的机理。以上研究结果为
SOFC工作过程中其功能阳极界面热阻的变化提供了理论解释，同时为设计具
更优热学性能的复合阳极提供了理论指导。
通过将反应力场分子动力学模拟结果与有限元模拟相结合，构建了跨尺度
的界面热传导模型，研究了界面对复合阳极热传导的影响，揭示了不同界面结
构、温度与化学反应情况对界面热传输的影响。在以上研究基础上，通过对真
实复合阳极进行三维重构，建立了其微观结构有限元模型，采用该模型