鎳鐵尖晶石基金屬陶瓷惰性陽極的制備及性能研究.pdf

1、現(xiàn)行鋁電解工藝仍采用霍爾-埃魯特法，其碳素陽極的使用存在許多弊端。而采用惰性陽極來代替炭陽極的研究始于19世紀60年代，由于不再需要頻繁更換陽極，從而簡化了生產(chǎn)工藝，而且生產(chǎn)過程中排出氧氣而不再是二氧化碳，可以新增經(jīng)濟效益3％。由于鎳鐵尖晶石材料具有穩(wěn)定性高、熱膨脹系數(shù)低以及耐蝕性能好等優(yōu)點，因此本文以鎳鐵尖晶石材料做為制備惰性陽極的基體材料。 惰性陽極制備采用高溫固相合成法，以前的研究工作重點放在二次燒結工藝上，而合成工藝對試

2、樣性能的影響并未引起足夠的重視，本文詳細研究了鎳鐵尖晶石陶瓷基體合成工藝的各個影響因素(如原料配比、合成溫度、合成時間以及壓制壓力)對材料燒結性能、耐蝕性和導電性的影響，確定出最佳合成工藝。試驗結果表明：以42.1wt％NiO和57.9wt％Fe2O3為原料，粉料在900℃下加熱6h后制成陶瓷基料，經(jīng)粉碎、壓制和二次燒結制備的惰性陽極試樣的各項性能均最佳。 在研究鎳鐵尖晶石陶瓷粉體燒結熱力學及動力學過程中，首次引入初期燒結擴散方

3、程及燒結活性的概念，對不同合成溫度合成的尖晶石粉料燒結初期的動力學過程進行了分析。研究結果表明：在滿足合成NiFe2O4尖晶石熱力學條件下，合成反應先于致密化過程結束；當尖晶石陶瓷粉體合成溫度為800℃和900℃時，惰性陽極試樣初期燒結過程由界面擴散控制；當尖晶石陶瓷粉體合成溫度為1000℃和1100℃時，惰性陽極試樣初期燒結過程由體積擴散控制。隨著尖晶石合成溫度的提高，陶瓷粉體的活性降低，不利于燒結。 考察了不同添加劑添加量對

4、試樣性能的影響，對氧化物添加劑進行了篩選。研究結果表明：添加TiO2和MnO2均可以促進鎳鐵尖晶石燒結進行，添加La2O3阻礙了燒結進行；當TiO2添加量為1wt％時，試樣的燒結活化能比不添加TiO2的試樣降低了102.65kJ·mol-1；當MnO2添加量為2wt％時，惰性陽極抗冰晶石熔鹽腐蝕性能最好，通過掃描電鏡及X-射線衍射分析，首次提出了試樣靜態(tài)熱腐蝕機理，即摻雜的MnO2在晶界處富集，熔鹽對晶粒的腐蝕首先在晶界處發(fā)生，反應生成

5、結構致密的Mn2AlO4相，冰晶石熔鹽通過該相向NiFe2O4尖晶石晶粒內(nèi)擴散速度減慢，從而降低了腐蝕速率。 考察了金屬銀添加方式對惰性陽極性能的影響，試驗結果表明：添加氧化銀粉和金屬銀粉均能提高惰性陽極試樣的高溫導電性，但添加金屬銀粉試樣的電導率約為添加同比例氧化銀粉試樣的兩倍，同時添加金屬銀粉試樣的電解腐蝕速率也最小，所以直接添加金屬銀粉為適宜的金屬相添加方式。 利用掃描電鏡及X-射線衍射對惰性陽極試樣的微觀結構進行

6、了分析，對其動態(tài)電解腐蝕機理作了初步的探討。試驗結果表明：純鎳鐵尖晶石試樣在電解過程中容易發(fā)生離解反應，電解腐蝕最先發(fā)生在晶界處，繼而生成FeAl2O4保護層阻止電解腐蝕的進一步進行。而添加金屬銀粉的惰性陽極試樣在電解過程中不易發(fā)生離解反應，電解腐蝕通過物理溶解過程進行，晶粒最先被腐蝕。 首次引用Furnas模型以及線性堆積理論，考察了兩種粒徑顆粒的級配及細顆粒體積分數(shù)對鎳鐵尖晶石陶瓷粉末的振實效率及空隙率的影響，提出了適合Ni