[實用新型]一種鋁電解用TiB2-C復合陰極

有效

• 申請號: 201320784484.4
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN203923399U
• 公開（公告）日: 2014-11-05
• 發明（設計）人: 張艷偉;楊建紅;李慶余;張剛;趙欣;鄭達;張朝暉
• 申請（專利權）人: 江蘇聯合金陶特種材料科技有限公司
• 主分類號: C25C3/08
• 分類號: C25C3/08
• 代理公司: 淮安市科文知識產權事務所 32223
• 代理人: 謝觀素

技術領域

本實用新型涉及鋁電解用陰極材料，具體涉及新型結構鋁電解用TiB₂-C復合陰極及其制備方法。

背景技術

現行鋁電解技術一直采用碳素材料作為鋁電解槽的陰極材料，由于金屬鋁液與炭陰極材料表面的潤濕性極差，現行電解槽中必須保持一定厚度的鋁液以避免因碳素陰極表面暴露于電解質之中而引起的電極反應不穩定。現行鋁電解槽中的鋁液厚度通常為20cm左右，如此厚的鋁液在電磁力的作用下會發生波動，使鋁液與電解質界面都發生變形。鋁液波動和界面形變都會影響電流效率。為了平穩生產并獲得較高的電流效率，現行電解槽不得不在較高的極距下進行生產（通常在4cm以上）。高極距導致高的槽電壓，進而導致高能耗（電能效率低）。為此，人們致力于能被鋁液完全濕潤的陰極材料的研究和開發，力求與鋁液潤濕的陰極表面只需要保存較薄的鋁液就能形成平穩的陰極電極反應的界面，不再產生由磁場引起的鋁液波動和界面形變問題，從而可以大幅度降低極距，實現節能目標。

TiB₂由于能與鋁液完全潤濕，且具有優良的導電性，已成為制造鋁電解用可潤濕惰性陰極的首選材料。眾多的學者和企業對多種TiB₂材料進行了廣泛研究和試驗性應用，其中包括TiB₂陶瓷、TiB₂復合陶瓷、TiB₂/碳素復合材料和TiB₂陰極涂層等。但是，上述這些陰極材料在生產制造及應用過程中都或多或少的存在著以下不足：如與鋁液潤濕性不良、抗冰晶石熔鹽和鋁液腐蝕性差、 與基體結合不夠緊密、抗熱震性差或熱膨脹系數不均等，特別是TiB₂陰極涂層技術，是目前應用和研究最多可潤濕性陰極材料技術，但在生產和應用過程中涂層與基體材料的粘結性能一直未達到理想狀態，因此制約了該項技術的廣泛推廣應用。

目前，常用鋁電解用陰極硼化鈦陰極涂層技術是將粉狀TiB₂等與熱固型樹脂等混合制備成高粘稠狀糊料，涂刷于鋁電解槽炭素陰極上面或石墨基體表面。申請號200510046638.X專利所述的一種帶TiB₂/C復合材料層的鋁電解陰極碳塊的制造方法，其中所述的基體表面的處理，只是對表面進行深度粗糙化，仍然屬于表面刷涂涂層技術的一種。其焙燒方法也是利用傳統的鋁電解槽焙燒啟動模式對涂層材料進行焙燒，無法達到很好的TiB₂/C復合材料碳化燒結效果。并且其所述技術只是應用用傳統的上下結構式單一導電面的鋁電解槽，無法在新型高效綠色鋁電解槽上應用。總之，采用刷涂法進行涂層式TiB₂/C復合材料技術施工存在一定的不足，如：（1）生產率低、勞動強度大；（2）涂層厚度均一性不宜控制，表面粗糙，不平整；（3）涂層與基體的粘結強度低，易于脫落；（4）涂層厚度不均，厚度過薄使得陰極壽命縮短，涂層過厚，又導致燒結后開裂，而且使得在電解槽通電焙燒、啟動時受熱沖擊影響大，熱應力不均，最終導致涂層早期的脫落。

發明內容

本實用新型要解決的技術問題是提供一種鋁電解用TiB₂-C復合陰極，通過對現有技術改進，改變了材料結構形式和組成配方，提高TiB₂-C復合材料與基體的結合強度、又大大提高了陰極材料與鋁液的潤濕性，同時又增加了陰極材料的導電性，有效延長了鋁電解用陰極材料的使用壽命和應用效果。不僅可以在傳統上下結構電解槽上應用，而且可以滿足新型高效綠色鋁電解槽陰極的需要。

本實用新型提供的TiB₂-C復合陰極結構，改變了原有在石墨或碳素陰極材料表面涂覆復合涂層的結構形式，從而避免了涂層材料在電解使用時脫落，厚度不均、腐蝕壽命短等問題。同時，本實用新型采用惰性氣氛燒結方法，使得TiB₂-C復合陰極材料燒結均勻、材料性能均一、導電性好（電阻率≤30μΩ·m），完全避免了傳統焦粒焙燒或者鋁液焙燒方法的氧化現象。

由于TiB2的結構特點，TiB2單相陶瓷燒結很困難，制成的TiB2陶瓷陰極脆性高，材料抗熱震性能差，與石墨基體材料熱膨脹系數相差較大，導致TiB2陶瓷材料與基體碳素材料結合效果不理想，在鋁電解高溫環境中容易破裂。本實用新型利用復合材料理論，添加一系列粘結劑和助劑，本實用新型中所用漿料加入了石墨化中間相炭微球、人造石墨作助劑，添加第二相的TiB2基復合陶瓷來解決純TiB2陶瓷陰極的高脆性，難燒結等問題，提高其韌性與抗熱裂性，增加TiB2-C與石墨基體的熱膨脹一致性。