納米增韌NiFe2O4基鋁電解惰性陽(yáng)極的研究.pdf

1、傳統(tǒng)Hall-Héroult鋁電解槽由于采用消耗式炭陽(yáng)極而存在炭耗大和環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題。惰性陽(yáng)極能夠克服以上問(wèn)題而成為鋁業(yè)界研究的熱點(diǎn)。NiFe2O4基惰性陽(yáng)極具有高溫化學(xué)穩(wěn)定性好、抗熔鹽腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而成為鋁電解惰性陽(yáng)極的首選材料。但是，NiFe2O4基金屬陶瓷惰性陽(yáng)極材料脆性大，抗熱震性低，不能滿足鋁電解工藝的要求，至今沒(méi)能在鋁電解工業(yè)中應(yīng)用。提高NiFe2O4基惰性陽(yáng)極的韌性和抗熱震性是惰性陽(yáng)極工業(yè)化的研究重點(diǎn)。本文首次研究了

2、NiFe2O4納米粉增韌NiFe2O4基惰性陽(yáng)極和大尺寸NiFe2O4基惰性陽(yáng)極的制備工藝。
　　采用低溫固相反應(yīng)法合成NiFe2O4納米粉。以NiSO4·6H2O、FeSO4·7H2O和NaOH為反應(yīng)物，NaCl為分散劑，通過(guò)室溫研磨反應(yīng)制備得到前驅(qū)體，然后將前驅(qū)體進(jìn)行熱處理得到納米粉。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)考察了制備工藝、分散劑含量、煅燒溫度和保溫時(shí)間對(duì)粉體的相組成、粒徑分布和形貌的影響。結(jié)果表明:在研磨過(guò)程中添加20wt％NaC

3、l作為分散劑制備得到的前驅(qū)體，先在800℃煅燒保溫1小時(shí)后洗滌抽濾干燥得到的粉體物相單一、結(jié)晶度好，顆粒呈多面體型，粒徑分布在30-65nm之間。采用行星機(jī)械研磨輔助低溫固相反應(yīng)工業(yè)化制備N(xiāo)iFe2O4納米粉，前驅(qū)體反應(yīng)活性明顯增強(qiáng)，在相對(duì)較低的溫度下(750℃)就能獲得高結(jié)晶度、物相單一的NiFe2O4納米粉。固-固相反應(yīng)經(jīng)歷四個(gè)階段，即擴(kuò)散-反應(yīng)-成核-晶粒生長(zhǎng)。結(jié)晶水的存在、研磨作用和反應(yīng)物顆粒細(xì)化等都有利于提升反應(yīng)速率。

4、　　采用兩步燒結(jié)法制備N(xiāo)iFe2O4基惰性陽(yáng)極:先以Fe2O3、NiO和氧化物添加劑于1000℃合成NiFe2O4基體材料，經(jīng)過(guò)破碎篩分，按照粒度級(jí)配，添加不同含量的納米粉，經(jīng)過(guò)壓制成型，二次燒結(jié)得到NiFe2O4基惰性陽(yáng)極。重點(diǎn)研究了納米粉添加量對(duì)陽(yáng)極材料綜合性能的影響。研究表明:NiFe2O4納米粉的添加有利于提高生坯的燒結(jié)活性，添加量越大，活性越強(qiáng)，燒結(jié)越致密，在納米粉添加量為30％時(shí)，NiFe2O4基惰性陽(yáng)極的綜合性能最好:氣孔

5、率為3.51％，抗彎強(qiáng)度為42.47MPa，斷裂韌性和沖擊韌性分別為3.12MPa·m1/2和3.31J/cm2，抗熱震性達(dá)到85.36％，靜態(tài)腐蝕率為0.00085g·cm-2·h-1;納米粉添加量達(dá)到40％時(shí)，試樣收縮過(guò)大，在內(nèi)部容易形成大裂紋，降低試樣的致密度，影響陽(yáng)極的性能。納米粉的添加主要是通過(guò)改變材料的顯微結(jié)構(gòu)如晶界結(jié)合強(qiáng)度、氣孔等影響斷裂表面能，從而實(shí)現(xiàn)材料的強(qiáng)韌化。
　　通過(guò)制備工藝對(duì)小尺寸條狀NiFe2O4基惰性

6、陽(yáng)極性能的影響，確定最佳制備工藝參數(shù):成型壓力200MPa，燒結(jié)溫度1400℃和燒結(jié)時(shí)間6小時(shí)。在制備Φ100mm圓柱形NiFe2O4基惰性陽(yáng)極時(shí)，在120MPa采用雙向軸壓制備生坯，然后在1150℃燒結(jié)保溫6小時(shí)得到陽(yáng)極綜合性能最優(yōu)越。電解實(shí)驗(yàn)證明，采用固相燒結(jié)擴(kuò)散連接方法連接的金屬導(dǎo)桿和陽(yáng)極，具備一定的高溫強(qiáng)度和導(dǎo)電性，能夠滿足惰性陽(yáng)極的使用環(huán)境所要求的較高的高溫強(qiáng)度、較好的抗熱震性能、抗高溫氧化性能和良好的導(dǎo)電性能。
　　采

7、用納米增韌Φ100mm圓柱形NiFe2O4基惰性陽(yáng)極電解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:經(jīng)過(guò)10小時(shí)電解腐蝕后陽(yáng)極外觀尺寸幾乎沒(méi)有變化，表面平整，棱角仍然分明，沒(méi)有發(fā)生開(kāi)裂、腫脹、表面起層和剝離的現(xiàn)象，表現(xiàn)出較好的抗熱震性和耐熔鹽腐蝕性。電解腐蝕首先發(fā)生在缺陷比較多的晶界，隨后沿晶界對(duì)晶粒進(jìn)一步腐蝕，氣孔的存在增大陽(yáng)極被腐蝕的幾率，提高陽(yáng)極晶界的耐腐蝕能力和降低氣孔率對(duì)提高陽(yáng)極整體的耐腐蝕性起著至關(guān)重要的作用。
　　采用納米增韌制備220×160m