电解铝用反应结合TiB2基复合阴极材料的研究

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硼化钛(TiB2)陶瓷由于具有优良的导电性和不与铝(Al)液及冰晶石反应的特点,可用作铝电解槽的阴极材料。但由于没有高性能、工艺简单、低成本的TiB2陶瓷制备技术,TiB2陶瓷材料并没有在工业铝电解槽阴极上获得应用。本文针对这一问题,基于真空熔融渗Si法,研究开发了一种工艺简单、成本低和性能稳定的TiB2复合材料制备新工艺。论文基于真空熔融渗Si法制备出导电性能较好的TiB2复合材料,并通过在复合材料中引入强化相SiC和MoSi2、进行原料TiB2颗粒级配以及优化原料中C含量降低复合材料中游离Si含量,探讨了强化相种类、颗粒级配和原料中C含量对TiB2复合材料物相、显微组织、体积密度、电阻率和电解铝抗侵蚀性能的影响,并探究其电解铝抗侵蚀机理。研究工作对于TiB2陶瓷在电解铝行业的推广和应用将具有非常重要的意义。论文首先在1600℃下真空熔融渗硅可制备出组织均匀致密的TiB2-SiC、TiB2-MoSi2和TiB2-SiC-MoSi2电解铝用惰性阴极材料,结果表明:其相对密度均可达97.8%以上,其电阻率均优于电解铝行业国标;通过实验室电解铝实验表明:以SiC为强化相时,所得TiB2基复合材料的电解铝抗腐蚀性最好,其腐蚀速率为0.125 mm/h,侵蚀层中Al含量为7.74 at.%,电解过程中,复合阴极材料中残余Si和MoSi2在Al液中的溶解反应是材料在电解过程中受侵蚀的主要原因。其次,根据颗粒密实堆积理论,研究了 TiB2粉体颗粒级配对TiB2-SiC复合阴极材料组织与性能的影响,结果表明:当TiB2的粗颗粒(104μm):中颗粒(25 μm):细颗粒(3 μm)为3:3:14时,粉体的振实密度最大为2.26 g/cm3,坯体的相对密度最大为62.4%,渗Si后TiB2-SiC复合材料中残余Si的含量可降低至19.7 vol.%;复合材料的电解铝抗腐蚀性最好,其腐蚀速率为0.095 mm/h,侵蚀层中Al含量为4.32 at.%。最后,研究了 C含量对TiB2-SiC复合阴极材料组织与性能的影响,结果表明:随原料C含量的增加,TiB2-SiC复合阴极材料的电阻率逐渐增大,残余Si含量逐渐减小,当原料C含量为25 wt.%时,复合材料的组织均匀致密,复合材料中残余Si的含量可降低至14.4 vol.%,复合材料的电解铝抗腐蚀性最好,其腐蚀速率为0.09 mm/h,侵蚀层中Al含量为4.09 at.%。
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