[發明專利]一種鋁電解用TiB2/TiB復合陶瓷陰極材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201510362449.7
• 申請日: 2015-06-26
• 公開（公告）號: CN104944959B
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 呂曉軍;胡凌云;雙亞靜;劉建華;詹星馳;李劼
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: C04B35/58
• 分類號: C04B35/58;C04B35/65;C25C3/08
• 代理公司: 長沙市融智專利事務所43114
• 代理人: 袁靖

技術領域

本發明屬于鋁電解新型陰極材料及其制備領域，具體涉及一種鋁電解用TiB₂/TiB復合陶瓷陰極材料及其制備方法。

背景技術

Hall-Heroult法是當今世界唯一的工業煉鋁法。現行鋁電解工業中，陰極材料不僅起著承載電流的作用，還要承受高溫電解質熔體的化學侵蝕和鋁液的物理沖蝕，現行鋁電解槽一直采用碳質材料作為陰極材料，然而，炭素陰極與熔融金屬鋁不潤濕，致使鋁電解槽中必須存留18～30cm的熔融金屬鋁，導致電能消耗一直居高不下，鋁的二次反應損失也較嚴重。鋁冶煉從業者一直沒有放棄對新型可潤濕性陰極的探尋。

TiB₂在鋁液中溶解度很小并且能被鋁液很好的潤濕。它具有熔點高、電導率高、硬度大、耐熔融鋁液和冰晶石熔體的侵蝕等特點，一直以來被視為鋁電解用可潤濕性陰極的最佳材料，也是鋁電解可潤濕性陰極材料的研究熱點。TiB₂陶瓷陰極材料是其中的研究熱點之一，該材料采用燒結的方式得到，得到的材料致密度高、與鋁液潤濕性好，但是其燒結溫度極高、制備成本昂貴，純的TiB₂陶瓷材料燒結溫度達到1800℃以上，為了降低制備成本，有研究者嘗試采用Y₂O₃、TiC、WC、B₄C和CrB₂等燒結助劑來促進燒結的進行，雖然這些燒結助劑在一定程度上能夠降低燒結溫度，但是助劑的添加會降低材料的導電性，也會引入了新的雜質元素，可能會對Al液造成污染，同時其中的C組分可能與Al反應，生成Al₄C₃，導致材料失效；傳統的TiB₂/C復合陰極材料也存在類似的問題。為此，本發明提出了一種新型TiB₂可潤濕性陰極材料，在不引入其他雜質元素的情況下，通過燒結過程中Ti與TiB₂的原位反應制得TiB晶須，并將其作為復合材料的增強相，在降低燒結溫度的同時，提高材料的力學性能。

本發明的一種鋁電解用TiB₂/TiB復合陶瓷陰極材料燒結溫度較低，得到的復合材料殘余應力小、與鋁液潤濕性好、化學穩定性好，且力學、電學性能優異。

發明內容

本發明的目的是針對目前TiB₂陶瓷陰極材料及其制備研究中存在的缺陷，提供一種與鋁液潤濕性好、耐熔融電解質和鋁液腐蝕、導電率高、力學性能優異且燒結溫度低的TiB₂/TiB復合陶瓷陰極材料及其制備方法。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的。

一種鋁電解用TiB₂/TiB復合陶瓷陰極材料的制備方法，是將80～95wt.％TiB₂粉末、5～20wt.％Ti粉末均勻混合、成型后燒結，得到TiB₂/TiB復合陶瓷陰極材料。

上述方法中TiB₂粉末和Ti粉末優選質量百分比分別為88～95wt.％、5～12wt.％。

上述方法中燒結溫度為950～1850℃，燒結時間為1～12h。

燒結溫度優選為1050～1650℃，燒結時間優選為3～8h。

上述方法中燒結過程均在真空或惰性氣氛下進行，采用的惰性氣體為Ar、He、N₂中的一種或多種。

上述方法中所述的TiB₂粉末顆粒粒度為50～150μm。

上述方法中所述的Ti粉末顆粒粒度為1～40μm，純度不低于99.9％。

一種鋁電解用TiB₂/TiB復合陶瓷陰極材料，是由上述的方法制備而成的。

本發明Ti粉末能在燒結溫度下與TiB₂發生原位反應，生成TiB晶須，TiB晶須在復合材料中起增強相的作用。

本發明TiB₂、Ti、TiB熱膨脹系數、密度差別不大，燒結過程中，體積變化小，制品致密度高、殘余應力小，有利于復合材料獲得良好的力學性能。