TiB2-C導(dǎo)電復(fù)合陰極材料的制備及性能研究.pdf

1、二硼化鈦(TiB2)是B和Ti的最穩(wěn)定化合物，是一種具有優(yōu)良物理化學(xué)性能的工程陶瓷材料，具有高熔點、高硬度、高模量、低比重和耐腐蝕等優(yōu)點。與電解鋁用傳統(tǒng)碳素陰極材料相比，TiB2對金屬鋁液具有良好的潤濕性，導(dǎo)電性好，且不與鋁液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。二硼化鈦的這些特性使其作為理想的電解鋁工業(yè)新型惰性可潤濕性陰極材料而得到了廣泛的研究。由于純TiB2陰極材料燒結(jié)制備困難，且脆性較大，因此目前的研究重點主要集中于TiB2/C復(fù)合陰極材料。
　　

2、 本文采用TiB2和石墨與炭黑兩種碳源為原料，通過熱壓燒結(jié)制備TiB2/C復(fù)合陰極材料，并加入一定量短切碳纖維來實現(xiàn)材料的增韌補強。在保證材料對鋁液完全潤濕的前提下，重點研究了原料配比、碳纖維含量、熱壓燒結(jié)工藝參數(shù)對于材料顯微結(jié)構(gòu)、致密度、力學(xué)和電學(xué)性能的影響，研究材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系。
　　 首先研究了短切碳纖維的表面除膠預(yù)處理工藝，分別采用真空熱處理、濃硝酸氧化和丙酮清洗三種方法來對纖維表面膠層進行處理。發(fā)現(xiàn)丙酮清洗法

3、可有效除去碳纖維表面膠層，且不會對碳纖維造成破壞。
　　 以TiB2、石墨與炭黑為原料，采用熱壓燒結(jié)分別制備了TiB2/C復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn)：炭黑粒徑較小、顆粒均勻，塑性流動能力較強，TiB2/炭黑材料的致密度高；但是TiB2晶粒容易被炭黑顆粒各自隔離，無法形成連接網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致材料力學(xué)電學(xué)性能很差。TiB2/石墨材料的綜合性能較好，但是片狀石墨在熱壓燒結(jié)過程中的塑性流動能力較差，其含量過高會導(dǎo)致材料致密度降低、導(dǎo)電性能和力學(xué)性能的

4、下降。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究了TiB2含量、熱壓燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間對TiB2/石墨材料結(jié)構(gòu)性能的影響。研究表明：隨著TiB2含量的增加，TiB2晶粒之間逐漸相互結(jié)合形成連接網(wǎng)絡(luò)，TiB2/石墨材料的致密度、導(dǎo)電性能和力學(xué)性能均上升；隨著熱壓燒結(jié)溫度的升高，TiB2晶粒之間的結(jié)合更加充分和緊密，材料的性能進一步提高；而隨著燒結(jié)時間的延長，TiB2晶粒出現(xiàn)異常長大的現(xiàn)象，TiB2/石墨材料的綜合性能呈現(xiàn)出先提高后下降的變化趨勢。當(dāng)TiB2含量

5、為85wt％，石墨含量為15wt％，熱壓燒結(jié)溫度為1950℃，燒結(jié)時間為1h，壓力30MPa時，TiB2/石墨復(fù)合材料的綜合性能最好為：抗彎強度為210.74MPa，斷裂韌性為3.573MPa·m1/2，電阻率為30.02μΩ·cm，致密度為97.14％，維氏硬度為6.49GPa。
　　 在優(yōu)化后的樣品中摻和短切碳纖維來實現(xiàn)對TiB2/石墨材料的增韌補強作用。研究發(fā)現(xiàn)：隨著纖維含量的增加，材料的彎曲強度下降，而斷裂韌性先增后減。