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基于惰性阳极的铝电解技术的开发与应用,可望改变传统铝电解工艺的高污染高能耗的问题,实现原铝生产的节能减排目标。NiFe2O4基金属陶瓷是目前最具工业化应用前景的惰性阳极材料,但材料的烧结致密度及耐电解质熔体腐蚀性能仍需进一步提高。本论文在国家“86”’、“973”等项目的资助下,探讨稀土氧化物掺杂对10Cu/10NiO-NiFe2O4金属陶瓷低温烧结致密化、晶界净化与强化以及电解腐蚀性能的影响。论文系统研究了掺杂对材料的烧结、力学、导电和耐腐蚀性能的影响,确定了针对10Cu/10NiO-NiFe2O4金属陶瓷材料烧结的稀土种类和掺杂量,并对稀土氧化物的作用机理进行了初步探讨。获得的主要研究成果如下:
1)通过热力学计算,优选Yb2O3、CeO2及Y2O3三种氧化物作为掺杂剂,研究了Yb2O3、CeO2、Y2O3及其含量对10Cu/10NiO-NiFe2O4金属陶瓷烧结致密化的影响,结果表明适量掺杂提高了材料的烧结致密度,改善了陶瓷基体的晶界结合特性,增强了陶瓷晶界的耐腐蚀性能。
2)Yb2O3与陶瓷相反应生成YbFeO3相并均匀分布于NiFe2O4晶界区,消除了晶界气孔,晶界变得平直清晰;掺杂量达到2.0％时,YbFeO3相颗粒在晶界处由点状逐渐汇集成膜。当烧结温度为1275℃,Yb2O3掺杂量为0.5％时,烧结试样的相对度达到95％以上,高于同样烧结温度下未掺杂样品的93％;抗弯强度由未掺杂时的154.3MPa升高到169.6MPa,并提高了金属陶瓷的耐腐蚀性能,0.5％Yb2O3掺杂样品的耐腐蚀性能较好。但YbFeO3相的晶界分布不利于材料的导电性能,掺杂1.0％样品的电导率(960℃测得,下同)为17.27S/cm,低于未掺杂时的18.07S/cm;同时高掺杂量(2.0％)时YbFeO3的团聚有恶化材料的耐蚀性能的趋势。
3)CeO2未与陶瓷相发生明显的反应产生新相,其以球状颗粒分布于晶界处。CeO2的掺杂可使材料烧结致密度稍有提高,1275℃烧结样品的相对密度达到94％以上,CeO2掺杂量对相对密度的变化影响不大。CeO2掺杂后材料的抗弯强度提高,掺杂0.5％CeO2的样品抗弯强度可达187.8MPa;但试样的电导率呈降低趋势,掺杂量为1.0％时降为15.13S/cm。掺杂1.0％CeO2有利于提高金属陶瓷材料的耐腐蚀性能。
4)Y2O3掺杂后与陶瓷相反应生成的YFeO3相分布于NiO与Cu相附近;Y2O3掺杂可以改变NiO相的分布状态,NiO在未掺杂试样中呈块状分布,掺杂后的NiO相呈细长的条状并趋于相互连通的网络分布。Y2O3掺杂后材料致密度的提高与微观结构的改善,有利于提高金属陶瓷材料的耐腐蚀性能。但掺杂Y2O3后金属相Cu与陶瓷基体润湿性问题没有明显的改变,烧结样品表面有Cu溢出现象;掺杂Y2O3后样品的电导率降低,掺杂1.0％Y2O3样品的电导率为17.91S/cm。
5)综合考虑稀土掺杂对10Cu/10NiO-NiFe2O4金属陶瓷性能的影响,0.5％Yb2O3的掺杂可以净化晶界,促进材料的烧结,提高金属陶瓷的综合性能。