铝电解用金属陶瓷惰性阳极材料的制备与性能研究

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传统铝电解由于采用消耗式炭素阳极而存在能耗高和环境污染严重等问题,这与当今社会发展低碳经济、促进可持续发展的经济主题相悖。新型铝电解技术惰性阳极的应用能克服以上问题,成为铝业界的研究热点。镍铁尖晶石陶瓷基惰性阳极具有高温化学稳定性好、抗熔盐腐蚀能力强等优点而成为铝电解研究的重点。目前,作为最具工业化应用前景的惰性阳极材料,NiFe2O4基陶瓷材料具有优良的耐熔盐腐蚀性能,但因导电性差而受到限制。本文通过向NiFe2O4基体中金属(Cu-Ni)粉末以改善阳极材料的导电性,并对相应的阳极材料模拟工业铝电解环境进行静态腐蚀和电解腐蚀,并对腐蚀行为进行了相关研究。  讨论了过量NiO对金属陶瓷惰性阳极材料的结构和性能影响,研究结果表明,材料的相对密度随着NiO含量的增大而呈现上升趋势,当NiO含量达到20%时,材料的相对密度和抗弯强度分别达到最大值98.36%和219MPa。  考察了烧结工艺包括烧结温度和保温时间对Cu-Ni-NiFe2O4金属陶瓷惰性阳极结构和性能的影响,发现气孔率随烧结温度的升高而降低,抗弯强度随气孔率的减小,呈现增大的趋势。当烧结温度达到1200℃时,金属陶瓷惰性阳极材料的孔隙率降到最低值为2.13%,抗弯强度达到最大值185MPa;材料的抗弯强度随烧结时间的增加呈现先上升后下降趋势,强度保持率随烧结时间的增加呈现先上升后下降趋势,当烧结时间达到4h时,金属陶瓷惰性阳极材料的抗弯强度达到最大值219MPa,强度保持率最大值为91.3%。  Cu-Ni-NiFe2O4金属陶瓷惰性阳极静态腐蚀8h后,从失重曲线上可知,金属陶瓷惰性阳极材料在反应初期反应较剧烈,曲线波动较大。当反应5h后,反应慢慢趋于稳定。静态腐蚀后的试样外形尺寸变化较小,表面未出现裂纹,从静态腐蚀断口形貌图可知,阳极材料内部较致密,晶粒棱角分明,未出现明显的腐蚀现象,从失重曲线可得出阳极的静态腐蚀速率为7.4×10-4g·cm-2·h-1。  Cu-Ni-NiFe2O4金属陶瓷惰性阳电解腐蚀8h后,阳极外观尺寸几乎没有变化,表面平整,没有出现阳极开裂、肿胀、表面起层等现象,表现出较好的抗热震性和耐熔盐腐蚀性,在熔盐与空气界面处,试样腐蚀相对严重一些。测得电解腐蚀速率为2.304×10-4g·cm-2·h-1。腐蚀机制主要表现为化学腐蚀和电化学腐蚀。
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