/TiB復(fù)合陶瓷陰極材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于鋁電解新型陰極材料及其制備領(lǐng)域，具體涉及一種鋁電解用TiB/TiB 復(fù)合陶瓷陰極材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] Hall-Heroult法是當(dāng)今世界唯一的工業(yè)煉鋁法?，F(xiàn)行鋁電解工業(yè)中，陰極材料不 僅起著承載電流的作用，還要承受高溫電解質(zhì)熔體的化學(xué)侵蝕和鋁液的物理沖蝕，現(xiàn)行鋁 電解槽一直采用碳質(zhì)材料作為陰極材料，然而，炭素陰極與熔融金屬鋁不潤(rùn)濕，致使鋁電解 槽中必須存留18~30cm的熔融金屬鋁，導(dǎo)致電能消耗一直居高不下，鋁的二次反應(yīng)損失也 較嚴(yán)重。鋁冶煉從業(yè)者一直沒有放棄對(duì)新型可潤(rùn)濕性陰極的探尋。
[0003] TiB2在鋁液中溶解度很小并且能被鋁液很好的潤(rùn)濕。它具有熔點(diǎn)高、電導(dǎo)率高、硬 度大、耐熔融鋁液和冰晶石熔體的侵蝕等特點(diǎn)，一直以來被視為鋁電解用可潤(rùn)濕性陰極的 最佳材料，也是鋁電解可潤(rùn)濕性陰極材料的研宄熱點(diǎn)。118 2陶瓷陰極材料是其中的研宄熱 點(diǎn)之一，該材料采用燒結(jié)的方式得到，得到的材料致密度高、與鋁液潤(rùn)濕性好，但是其燒結(jié) 溫度極高、制備成本昂貴，純的118 2陶瓷材料燒結(jié)溫度達(dá)到1800°C以上，為了降低制備成 本，有研宄者嘗試采用1〇3、!1(：、1(：、8 4(：和(>82等燒結(jié)助劑來促進(jìn)燒結(jié)的進(jìn)行，雖然這些燒 結(jié)助劑在一定程度上能夠降低燒結(jié)溫度，但是助劑的添加會(huì)降低材料的導(dǎo)電性，也會(huì)引入 了新的雜質(zhì)元素，可能會(huì)對(duì)Al液造成污染，同時(shí)其中的C組分可能與Al反應(yīng)，生成Al 4C3, 導(dǎo)致材料失效；傳統(tǒng)的TiB2/C復(fù)合陰極材料也存在類似的問題。為此，本發(fā)明提出了一種 新型TiB 2可潤(rùn)濕性陰極材料，在不引入其他雜質(zhì)元素的情況下，通過燒結(jié)過程中Ti與TiB2 的原位反應(yīng)制得TiB晶須，并將其作為復(fù)合材料的增強(qiáng)相，在降低燒結(jié)溫度的同時(shí)，提高材 料的力學(xué)性能。
[0004] 本發(fā)明的一種鋁電解用TiB2ZtiB復(fù)合陶瓷陰極材料燒結(jié)溫度較低，得到的復(fù)合材 料殘余應(yīng)力小、與鋁液潤(rùn)濕性好、化學(xué)穩(wěn)定性好，且力學(xué)、電學(xué)性能優(yōu)異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)目前TiB2陶瓷陰極材料及其制備研宄中存在的缺陷，提供 一種與鋁液潤(rùn)濕性好、耐熔融電解質(zhì)和鋁液腐蝕、導(dǎo)電率高、力學(xué)性能優(yōu)異且燒結(jié)溫度低的 TiB 2/TiB復(fù)合陶瓷陰極材料及其制備方法。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0007]一種鋁電解用TiB2/TiB復(fù)合陶瓷陰極材料的制備方法，是將80~95wt. % 1182粉 末、5~20wt. % Ti粉末均勻混合、成型后燒結(jié)，得到TiB2/TiB復(fù)合陶瓷陰極材料。
[0008] 上述方法中TiB2粉末和Ti粉末優(yōu)選質(zhì)量百分比分別為88~95wt. %、5~ 12wt. %〇
[0009] 上述方法中燒結(jié)溫度為950~1850°C，燒結(jié)時(shí)間為1~12h。
[0010] 燒結(jié)溫度優(yōu)選為1050~1650°C，燒結(jié)時(shí)間優(yōu)選為3~8h。
[0011] 上述方法中燒結(jié)過程均在真空或惰性氣氛下進(jìn)行，采用的惰性氣體為Ar、He、N2* 的一種或多種。
[0012] 上述方法中所述的1182粉末顆粒粒度為50~150 ym。
[0013] 上述方法中所述的Ti粉末顆粒粒度為1~40ym，純度不低于99. 9%。
[0014] -種鋁電解用TiB2AiB復(fù)合陶瓷陰極材料，是由上述的方法制備而成的。
[0015] 本發(fā)明Ti粉末能在燒結(jié)溫度下與TiB2發(fā)生原位反應(yīng)，生成TiB晶須，TiB晶須在 復(fù)合材料中起增強(qiáng)相的作用。
[0016] 本發(fā)明TiB2、Ti、TiB熱膨脹系數(shù)、密度差別不大，燒結(jié)過程中，體積變化小，制品致 密度高、殘余應(yīng)力小，有利于復(fù)合材料獲得良好的力學(xué)性能。
[0017] 本發(fā)明首次將TiB相引入鋁電解用TiB2復(fù)合陰極材料，通過原位反應(yīng)制備出TiB 晶須，使得材料的燒結(jié)溫度較低，致密度高，導(dǎo)電性能良好，力學(xué)性能優(yōu)異，耐腐蝕能力強(qiáng)， 且與熔融鋁的潤(rùn)濕性好，是理想的鋁電解用可潤(rùn)濕性陰極材料。本發(fā)明在優(yōu)選原料組分、優(yōu) 選燒結(jié)溫度、優(yōu)選時(shí)間條件下，能得到性能更好的TiB2ZtiB復(fù)合陶瓷陰極材料，可以通過實(shí) 施例1-5的對(duì)比得出。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明的TiB2ZtiB復(fù)合陶瓷陰極材料制備工藝流程圖；
[0019]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所得復(fù)合材料斷面微觀形貌圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下結(jié)合實(shí)施例旨在進(jìn)一步說明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。
[0021]本發(fā)明的鋁電解用TiB2ZtiB復(fù)合陶瓷陰極材料的制備步驟如下：
[0022] (1)配料
[0023] 根據(jù)上述工藝配方的要求，按比例稱取各物料，將TiB2粉末（粒度50~150 ym)、 Ti粉（粒度1~40 ym)末混合攪拌25~35min，混合均勾，得到所需混合粉末。
[0024] (2)成型
[0025] 在室溫條件下，將固料裝模，在30~45kN的壓力下預(yù)壓，然后在55~75kN的壓 力下保壓5~IOmin冷壓成型，得到TiB 2S復(fù)合陰極材料生坯。
[0026] (3)燒結(jié)
[0027]燒結(jié)溫度為950~1850°C，燒結(jié)時(shí)間為1~12h。燒結(jié)過程均在惰性氣氛下進(jìn)行， 采用的惰性氣體為Ar、He、隊(duì)中的一種或多種，壓力維持在0. 5~I. 2 X 10 5Pa范圍內(nèi)。 [0028] 實(shí)施例1
[0029] 采用的原料組成為90wt.% TiB2、IOwt.% Ti粉。
[0030] 本實(shí)施例采用模壓成型制成生坯體，然后燒結(jié)，具體步驟如下：
[0031] ⑴配料
[0032] 根據(jù)工藝配方的要求，按比例準(zhǔn)確稱取各物料，將TiB2粉末、Ti粉置于干粉混料機(jī) 中混合攪拌25min后，取出，待用。
[0033] ⑵成型
[0034]在室溫條件下，將固料裝模，在35kN的壓力下預(yù)壓，然后在60kN的壓力下保壓 5min冷壓成型，得到TiB2/TiB復(fù)合陶瓷陰極材料生坯。
[0035] (3)燒結(jié)
[0036] 燒結(jié)方式采用無壓燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)，通入Ar氣體，壓力維持在0. 5~I. 2XIO5Pa,在 1300°C條件下燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為3h。燒結(jié)結(jié)束后隨爐冷卻至常溫，得到產(chǎn)品。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行物 相分析，結(jié)果顯示產(chǎn)品中只有TiB 2、TiB存在，其試樣斷面微觀形貌圖如2所示，可以看到柱 狀TiB晶須較均勻的分布在TiB2基體中。對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)電性能、潤(rùn)濕性能、力學(xué)性能檢測(cè)，具 體結(jié)果如表1所示。
[0037] 表1實(shí)施例1產(chǎn)品各項(xiàng)性能檢測(cè)結(jié)果
[0038]
[0039] 實(shí)施例2
[0040] 采用的原料組成為90wt. % TiB2、IOwt. % Ti粉。
[0041] 本實(shí)施例采用模壓成型制成生坯體，然后燒結(jié)，具體步驟如下：