(Al,Mg)–Li–Er(Tm)合金共電沉積及機(jī)理研究.pdf

1、鋁鋰合金和鎂鋰合金是重要的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天以及汽車工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的發(fā)展前景。傳統(tǒng)鋁鋰合金和鎂鋰合金的制備多采用混熔法，本文在 LiCl–KCl熔鹽中，采用多元共電沉積的方法制備鋁鋰合金和鎂鋰合金，利用循環(huán)伏安法、計(jì)時電位法和開路計(jì)時電位法等電化學(xué)方法研究 Al(III)、Mg(II)、Li(I)、Er(III)和Tm(III)離子在熔鹽中的電化學(xué)行為及合金共沉積機(jī)理，制備了不同相組成的Al–Li、Al–Er、Al–Li–E

2、r、Al–Li–Er–Tm和Mg–Li–Al–Er合金，并利用ICP–AES、XRD、SEM和EDS等技術(shù)對合金樣品進(jìn)行了分析表征。主要分為以下五個部分：
　　1.在 LiCl–KCl–AlF3熔鹽體系中，研究了Al(III)的電化學(xué)行為，結(jié)果表明，Al(III)離子在–1.25 V(vs. Ag/AgCl)還原成金屬Al，當(dāng)掃描速率低于300 mV s–1時，還原過程由擴(kuò)散控制并呈現(xiàn)可逆性，計(jì)算了Al(III)離子的擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)

3、散活化能。Li(I)離子在預(yù)先沉積金屬鋁的電極上發(fā)生欠電位沉積，在–2.25 V(vs. Ag/AgCl)時析出并形成Al–Li合金。當(dāng)陰極電流密度大于0.188 A cm–2或陰極電位負(fù)于–2.30 V(vs. Ag/AgCl)時，可以實(shí)現(xiàn)Al和Li的共沉積。采用恒電流電解的方法制備了相組成為AlLi、Al2Li3和Al4Li9的Al–Li二元合金。
　　2.在LiCl–KCl–ErCl3熔鹽體系中，研究了Er(III)離子的電

4、化學(xué)行為，采用陰極合金化的方法制備了鋁鉺合金。采用電化學(xué)方法研究了稀土離子Er(III)在鎢電極上的電化學(xué)還原過程，Er(III)在–1.93 V(vs. Ag/AgCl)發(fā)生一步電子轉(zhuǎn)移還原成金屬Er，當(dāng)掃描速率低于200 mV s–1時，還原過程是可逆的并且受擴(kuò)散控制，計(jì)算了Er(III)在793 K下的擴(kuò)散系數(shù)。循環(huán)伏安法和開路計(jì)時電位法表明，Er(III)離子在鋁電極上發(fā)生欠電位沉積使得析出電位正移，分別在–1.48 V、–1.

5、61 V和–1.71 V(vs. Ag/AgCl)形成三種穩(wěn)定的Al–Er金屬間化合物。采用陰極合金化的方法恒電位電解制備含Al3Er、Al2Er、Al2Er3和AlLi相的Al–Er和Al–Li–Er合金。利用能斯特方程求得Al3Er、Al2Er和Al2Er3的生成吉布斯自由能。通過吉布斯–亥姆霍茲方程計(jì)算Al3Er合金化反應(yīng)熱效應(yīng)，解釋了欠電位沉積的機(jī)理，為在793 K下制備了熔點(diǎn)為1343 K的金屬間化合物Al3Er提供了理論依據(jù)

6、。
　　3.在 LiCl–KCl–Er2O3–AlCl3熔鹽體系中，研究了Al(III)、Li(I)和Er(III)離子的電化學(xué)行為，共沉積制備了鋁鋰鉺合金。研究表明，Al(III)離子和Er(III)離子的還原峰電位分別是–1.02 V和–1.91 V(vs. Ag/AgCl)，Er(III)離子在預(yù)先沉積了金屬鋁的電極上發(fā)生欠電位沉積，分別出現(xiàn)在–1.39 V和–1.49 V(vs. Ag/AgCl)的兩個還原峰，對應(yīng)兩種鋁鉺

7、金屬間化合物的形成。當(dāng)陰極電位負(fù)于–2.30 V(vs. Ag/AgCl)或陰極電流密度大于0.32 A cm2時，可以實(shí)現(xiàn)Al(III)、Li(I)、Er(III)的共沉積，制備Al–Li–Er三元合金。循環(huán)伏安法和對熔鹽的XRD分析表明，AlCl3對Er2O3有氯化作用，生成ErCl3。共沉積制備了相組成為Al2Er、Al2Er3和Al4Li9相的Al–Li–Er三元合金。對合金樣品的SEM和EDS分析表明，稀土元素Er主要分布在晶

8、界處。
　　4.在LiCl–KCl–AlF3–ErCl3–TmCl3熔鹽體系中，研究了Al(III)、Li(I)、Er(III)和Tm(III)離子的電化學(xué)行為，恒電流電解多元共沉積制備鋁鋰鉺銩四元合金。結(jié)果表明：Tm(III)離子分別在–1.56 V和–2.12 V(vs. Ag/AgCl)發(fā)生兩步電子轉(zhuǎn)移還原為金屬銩。稀土離子Er(III)和Tm(III)在預(yù)先沉積了金屬鋁的電極上發(fā)生欠電位沉積，使得析出電位正移。當(dāng)陰極電位負(fù)

9、于–2.32V(vs. Ag/AgCl)或陰極電流密度大于0.469A cm–2時，可以實(shí)現(xiàn)Al、Li、Er和Tm的共沉積。當(dāng)熔鹽中AlF3的添加量在8.00 wt.％和11.54 wt.%之間時，恒電流電解共沉積制備含有強(qiáng)化相Al3Er和Al3Tm的Al–Li–Er–Tm四元合金。SEM和EDS分析表明，稀土元素Er和Tm則主要存在于合金的晶界中，細(xì)化了晶粒。
　　5.在LiCl–KCl–MgCl2–AlCl3–ErCl3熔鹽體

10、系中，研究了Mg(II)、Li(I)、Al(III)Er(III)離子的電化學(xué)行為，多元共沉積制備了鎂鋰鋁鉺四元合金。結(jié)果表明，金屬離子Al(III)、Mg(II)、Er(III)和Li(I)依次在–1.03 V、–1.86 V、–1.99 V和–2.25 V(vs. Ag/AgCl)發(fā)生還原。Er(III)離子在預(yù)先沉積了金屬鋁的電極上發(fā)生欠電位沉積，分別出現(xiàn)在–1.42 V和–1.50 V生成兩種Al–Er金屬間化合物。當(dāng)陰極電流密