一种氧化物金属陶瓷惰性阳极及其制备方法和应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种熔盐电解铝惰性阳极及其制备方法和应用，属陶瓷-金属复合材料【技术领域】。本发明的惰性阳极由氧化物陶瓷主相和金属次相组成，氧化物主相由纳米和准纳米粒级NiFe2O4尖晶石主成分和ZrO2、V2O5、CeO2及MgO改性添加成分组成，金属次相由微米级Ni、Cu、Co、Zn、Cr、Ag、Ti、Al、Sc、Zr、No、V、Mn、Y、La元素中选取5～6种组成。惰性阳极经过尖晶石合成，高能球磨制取纳米和准纳米氧化物，氧化物与金属粉的普通球磨，压成形和真空或保护气氛烧结与机加工等步骤制成。本发明具有导电性好、抗高温盐腐蚀与氧化的能力强、抗热冲击性能好、阳极成分不污染铝电解产品的优点。用于熔盐电解铝，作为碳素阳极的替代物，解决当今铝工业高消耗高污染的问题。
【专利说明】一种氧化物金属陶瓷惰性阳极及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种氧化物金属陶瓷惰性阳极及其制备方法和应用，属氧化物金属陶瓷复合材料【技术领域】。
【背景技术】
[0002]传统的铝电解是在以冰晶石和氧化铝为主的电解质中，以碳素材料作阳极，在940-970°C的高温电解质中进行熔盐电解。电解过程中在阴极上生成金属铝，在阳极上产生新生态的氧，在上述高温下，阳极上产生的新生态氧原子将使碳阳极氧化燃烧，产生CO2, CO和CF4, C2F6, SOx.NO污染气体，据统计，每生产一吨铝，要排放约1200m3的上述污染气体；
其次，由于碳阳极被不断燃烧，每生产一吨电解铝，碳素阳极的消耗量达400-500kg，此消耗占铝电解生产成本的20%左右。2011年中国的铝产量为1400万吨(约占全世界产量的60%)，从而可算出，在中国每年仅碳阳极的消耗就为300亿元。再其次，使用碳素阳极电解招，电能耗高达(13-13.5kffh/kg.Al)，为理论耗电量的2.37倍。由于上述原因，使碳素阳极电解招成为当今社会中有名的闻能耗、闻污染和闻消耗的二闻广品；
若在铝电解中使用惰性阳极(即在电解过程中不被氧化燃烧，也不受高温电解质腐蚀而消耗的相对永久性阳极)取代当今使用的碳素阳极后，仅在中国，每年就能减少阳极消耗约300亿元，并每年减少污染气体排放180亿m3。经济效益和社会效益十分巨大。惰性阳极在铝电解中应用后，铝电解高消耗高污染的帽子将被摘掉； 按本发明人的理解，惰性阳极的性能指标应包括如下六个方面:具有优良的导电性和1200°C及其以上的熔点；在电解高温下，阳极材料在氟化物电解质中不溶解且其组分不污染电解产出的原铝产品；在高温急冷急热的冲击下不发生脆断；具有可机械切削加工或焊接加工的性能，能与电解导电汇流牌相连；能方便的制造出大型铝工业所需的大尺寸和大批量阳极；所需原料资源充足，且材料成本低，目前国内外的商品材料，无任何一种能同时满足上述六项要求；
在美国能源部和美国工业技术局所制定的“铝工业技术革命发展战略规划中” [1]，把惰性阳极的研究放在第一位，列为重中之重的发展方向，该战略规划的有效期是2020年[1]；在上述战略规划鼓励和经费的支持下，美国的研究人员在惰性阳极的材料合成方面做了许多研究，并发表了较多的专利和论文。例如美国专利[2]公佈了由多元氧化物粉末与金属粉末合成的金属陶瓷惰性阳极。其中多元氧化物有(NiFe2O4.ZnFe2O4), (NiFe2O4.NiO)，(NiFe2O4.ZnFe2O4.ZnO), (ZnNi) Fe2O4, (ZnNi) Fe2O4.NiO, (ZnNi) Fe2O4.ZnO, (ZnNi)Fe2O4.Zn0.NiO多种组合。而与上述金属氧化物混合的金属可从N1、Cu、Co、Zn、Cr、Ag、T1、Al、Sc、Zr、N0.V.Mn.Y.La金属中选取。上述氧化物粉末与金属粉末混合后，经过压制和烧结成为金属陶瓷惰性阳极。美国专利[3]则报导了一种由Fe203、Ni0、Co203，等氧化物组成陶瓷相，而由Cu、Ag、Pd、Pt、Au中选取其中一种或两种组成其金属相。上述氧化物粉末与金属粉末混合后，经过压制烧结成为惰性阳极材料；
中国研究者于先进等人则研究了铁锌尖晶石ZnFe2O4惰性阳极及Cu0、Ce02、Ni203和ZnO等添加剂对惰性阳极导电性和抗腐蚀性的影响M，他们的研究结果表明，ZnFe2O4金属陶瓷惰性阳极对铝电解质具有好的腐蚀阻力，但这种材料的导电性不佳，不能作为理想的惰性阳极。但加入Cu0、Ce02、Ni203和ZnO等氧化物添加剂后，则惰性阳极的导电性有所改善，但是加入了上述添加剂后，惰性阳极对铝电解质的抗腐蚀性又有所降低。中国研究者秦庆伟，赖延清，吴贤熙[5'6'7]等研究者则研究了铁镍尖晶石NiFe2O4为基的金属陶瓷惰性阳极，他们研究的共同点是都认为NiFe2O4陶瓷对铝电解质有优良的抗腐蚀性和抗高温氧化性，因此合成惰性阳极时均以NiFe2O4作基本原料，同时为了提高惰性阳极的导电性还往惰性阳极中加入NiO和镍粉[5'6]，或者铜粉[7'8]。这些材料粉经磨细，混合，压制和烧结后成为金属陶瓷惰性阳极。但用这类惰性阳极进行铝电解时，仍然暴露出惰性阳极的导电性不佳，以及因受到惰性阳极材料污染而使电解产出的原铝含铁、铜等杂质过多而不能达到电解铝的产品标准[5'6]；
此外，不管是美国专利所研究过的MFe2O4型，MFe2O4.MO型和(Ni，Zn) Fe2O4, (Ni, Zn)Fe2O4.ZnO, (Ni, Zn) Fe2O4.NiO等类型的金属陶瓷惰性阳极，还是中国研究者所研究过的Zn，NiFe2O4和Cu-NiFe2O4等各种金属陶瓷惰性阳极，均存在一个共同的缺点，即抗热冲击性能差，这类金属陶瓷隋性阳极材料，在加入高温铝电解质中时，由于液面线附近的热应力特别高而使惰性阳极自动热碎断或热碎裂这种热冲击脆断问题在试验规模扩大到中试，或生产性单件试验时，问题特别突出，因为尺寸愈大的金属陶瓷惰性阳极，愈容易产生热冲击脆断[9]。同时，这类氧化物金属陶瓷惰性阳极，因不能进行机械切削加工或焊接加工，因而难以实现阳极与电解导电汇流牌的连接；
为克服金属陶瓷惰性阳极的上述缺点，部分美国和中国的研究者又转向去研究金属型惰性阳极，其中最具代表性的是美国研究者Jianhong Yang等人研制的铝青铜型惰性阳极
[11]和中国石忠宁研究的Fe-N1-Cu阳极[12]。研究结果表明:不管是美国的铝青铜阳极还是中国的Fe-N1-Cu金属阳极 ，它们的共同优点是导电性均匀而又良好，但它们的共同缺点是抵抗电解质高温腐蚀的能力差。美国的铝黄铜阳极经过30~50小时的铝电解试验后，阳极发生了灾难性的严重腐蚀[11]。而中国的Fe-N1-Cu金属阳极经过30小时的电解铝试验后，也发生严重腐蚀，其腐蚀速率为140 mm/年[12]。同时由于阳极的腐蚀溶解，致使阴极铝产品受到阳极杂质的污染而不能生产出纯度合格的铝产品，因此可以认为，金属阳极用于铝电解，目前还暂时行不通。因此，为了获得能同时满足上述六项要求的惰性阳极，还需开拓新的研究领域；
参考文献:
[1]Ross Brindlej Nancy Margolis:“Stragy for Technology Innovation inthe U.S.Aluminum Industry，，，(IL S.Department of Energy, office of IndustrialTechnology)；
[2]Xinghua Liuj Siba P.Ray, Alfred F et al:“U.S.patent.7014881B2.(Mar.21.2006)”;
[3]Siba P.Ray, Xinghua Liu and Douglass.A:“U.S.pateut6372.119 BI(Apr.21.2006)” ；
[4]Yu Xiao-jin，Zhang Guang-Li and Qiu Zhu-xian:“Electro-conductivity andcorrosion Resistance of Fe2O4-Based Materials used as Inert Anode，，(J)，Journalof ShangHai university.Vol.3.N0.3.sept.1999 ；
[5]Qin Qing-wei, Lai Yan-qing and Xiao Jin ,Preliminary testing ofNiFe2O4-NiO as ceramic matrix of cermet inert anode，，(J), Trans.Nonferrous Met.Soc.China.Vol.13.N0.5.0ct.2003 ；
[6]赖延清、黄蔚、田忠良等:“铝电解NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极性能的研究进展”(J) “矿产保护与利用”N0.4.Aug.2006 ；
[7]吴贤熙、徐利华、张立成:“铝电解大型金属陶瓷惰性阳极的制备及电解测试”(J)“贵州工业大学学报” 2006年第6期；
[8]刘卫、刘静梅、张立成:“大型铝解惰性阳极的研制”(J)“轻金属”。2006.第5期；
[9]J Li, Q.S.Zhang, and Y.Q.Lai:uThermal stresses Relaxation Design ofNi/ NiFe2O4 Graded Cermet Inert Anode” [J], “Act.Metallurgica Sinica”.vol.18，N0.5，2005 ；
[10]吕子剑:“对铝电解惰性阳极的选材与研究方向的思考。”[J]，“轻金属”.2003年第10期；
[11]Ji anhong Yang, John N.and N.Hyrn:“Aluminum Electrolysis Tests withinert Anode in KF-ALF3-Based Elsctrolysis” (J) , “Light Metals” 2006，Edited byTravis J.Galloway TMS ；
[12]石忠宁:“N1-Fe-CU合金惰性阳极的抗氧化性与耐蚀性能”，“中国有色金属学报”，2004 年第 4 期，Vol.14.N0.4。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种能满足金属熔盐电解铝惰性阳极各项性能指标的惰性阳极及其制备方法和应用。为了使研制出的惰性阳极具有良好惰性阳极有如下三点本质区别:一是氧化物陶瓷相的主成份为Fe2O3和NiO，这样成份设计的显著优点是:在阳极烧结过程中，Fe2O3与NiO产生化学反应，生成铁镍尖晶石NiFe2O4复合物，该复合氧化物是一种高温半导体材料，在900— 970°C的铝电解温度下，该复合物自身具有导电性，这就可以在阳极成分中，减少金属的加入量而不致降低阳极的导电性；另外NiFe2O4复合物中的Fe、Ni氧化物成分，在铝电解质中溶解度很低，这不仅有利于提高阳极的抗腐蚀性，而且也有利于阴极铝产品的纯度提高；二是采用多成分氧化物陶瓷相，以便使研制出的惰性阳极具有多方面综合性能，如陶瓷相中含有ZrO2和V2O5, ZrO2能使陶瓷相的高温强度及韧性有较大提高，V2O5能使陶瓷相的抗腐蚀有显著提高；陶瓷相中含有CeO2，使陶瓷相的导电性有显著提高；陶瓷相中含MgO，使陶瓷相在烧结后具有微细的晶粒度和更高的机械强度；三是配入惰性阳极的氧化物，经高能球磨达到纳米和准纳米级别，因为与碳化物金属陶瓷不同，氧化物与金属是很难形成理想金属陶瓷的，因为金属相与氧化物不仅润湿性很差，而且两者间的膨胀系数相差很大，这些差异不仅使金属相与陶瓷相不能良好的相溶，从而导致成形困难，而且已成形的料坯在烧结时，也容易产生裂纹和破断。当配入惰性阳极的混合氧化物达到纳米和准纳米级别后，利用纳米粉末的低熔点效应和表面活性效应，将使金属相与氧化物陶瓷相之间的润湿性和相容性获得显著改善。不仅使惰性阳极容易成形，而且在烧结之后阳极也不易产生裂纹和破断，导电性和高温机械性能也获得显著改善。本发明的具体步骤如下:
1、惰性阳极的原料组成:本发明的惰性阳极由氧化物陶瓷相与金属相组成，两相的重量百分比为:氧化物:金属=(25~85):(75~15)。其中氧化物相由主成分Fe2O3和NiO，及添加氧化物ZrO2, V2O5, CeO2集及MgO六种成分组成。六组元的重量百分比为=Fe2O3 =NiO-.ZrO2 -.V2O5 -.CeO2:Mg0=58.65wt%:28.35 wt %: (6 ~7) wt %: (I ~2) wt %: (2 ~3) wt%:(2 ~3) wt %。惰性阳极中的金属相从 Cu，Ni，Co，Fe，Al，Zn，Mn，Cr, Ti，Nb，V, Ta 及Y金属中挑选5到6种。所加入的各种氧化物和金属，均为工业纯微米级粗粉，粉末粒度在+80~300目之间；
2、惰性阳极的制备方法:惰性阳极的制备工艺流程如图1所示，主要分如下六个步骤: 第一步为合成铁镍尖晶石NiFe2O4:把Fe2O3和NiO两种原料粉按重量百分比为Fe2O3: Ni0=67.4:32.6的比例称重。接着将两种原料粉混均后，在箱式炉中于920~960°C的温度下，氧化气氛中保温煅烧4~6小时，所得出的物料即是NiFe2O4复合氧化物，物料的颜色已从氧化铁红色变成棕黑色；
第二步为用高能球磨法制取混合氧化物纳米与准纳米粉末:把第一步结束后所获得的全部NiFe2O4复合物料，与重量百分比为6-7wt% ZrO2, l_2wt% V2O5, 2_3wt% CeO2和2-3wt%Mg0四种原料粉混合后，放入高能球磨机中，经过25~30小时的高能球磨；
高能球磨机可为立式或卧式搅拌磨，高能球磨的工艺参数为:球料重量比不少于6,搅拌转速不少于100转/分。磨球由直径为4，6，8，16，25111111五种级别的硬质合金球组成。经高能球磨的混合粉末，其粒度达80~200nm,如图2所示；
第三步为普通球磨法制备混合粉料，把第二步中所获得的全部纳米/准纳米混合粉与“1、”中所述金属粉末按比例(25~85 wt%):(75~15 wt%)混合，加入分散剂与表面改性剂后一同加入球磨机中，进行12小时的球磨。普通球磨不仅具有混合和研磨两种作用，经过12小时以上球磨的金属和氧化物混合粉，不仅起到进一步磨细混匀的作用，而且也促成金属粉与氧化物粉的互相结合，部分高硬度的氧化物纳米/准纳米粉，在机械力的作用下嵌入较粗粒且塑性较好的金属粉末颗粒中，防止了金属粉与氧化物粉的偏析。强制性地改善了金属与氧化物之间的润湿性。加入表面改性剂和分散剂后，防止纳米和准纳米粉的团聚，表面改性剂用伯醇HO — R或油酸，加入量为混合料的0.5~1.0wt%。分散剂为工业酒精，加入量为物料的20wt%。加入改性剂和分散剂的目的在于克服纳米和准纳米微细粉的团聚，使之与金属粉更有效地混匀和结合。粘结剂在普通球磨出料前两小时加入。粘结剂可为聚乙烯醇、聚乙烯乙醇、聚乙烯聚合物、聚乙二醇，聚碳酸酯、聚乙烯醋酸酯中的一种。粘结剂的加入量为金属与氧化物混合料重的3~7wt% ；
第四步为低温干燥，其目的在于除去混合料中的水份或酒精，防止在压成型时，物料从模具的缝隙中挤出。低温干燥的温度为80~120°C，干燥时间依据物料的量、料层的厚度而定，一般在6-10小时；
第五步为压成型:用金属模机械压力成型，或用橡皮模等静压成形。成型压力为150~250Mpa。根据惰性阳极形状和尺寸要求的不同，把压成形的模具设计成常规的各种形状，如圆柱状、长方柱状或板状等；
第六步为成形坯料的烧结:坯料在保护气氛或真空炉高温炉中烧结。保护气氛烧结适合用纯度99.99%氩气保护，真空烧结在10° — KT1Pa的真空度下烧结。烧结温度为1150 —1250°C，在烧结温度下保持90—150分钟完成烧结。烧结前后柱状试样的长度收缩到原尺寸的80~85%，横断面收缩到70~74% ；
第七步为对完成烧结的惰性阳极用车床切削加工出与电解导电汇流牌相连的螺纹；本发明与国内外所研究过的其它阳极相比，具有阳极导电性好及熔点高、抗高温介质腐蚀与氧化的性能好、韧塑性好和热强度高、能进行机械加工与汇流牌连接、成本低、对电解产出的原铝产品少污染(原铝的杂质含量达到国标要求)。经过50~100小时的铝电解试验考核，阳极的腐蚀速率为O。
[0004]【专利附图】
【附图说明】:
图1为多元混合氧化物和金属粉末加工成惰性阳极的工艺流程图，其主要工序是尖晶石合成、高能球磨、常规球磨、试样压成形和试样的烧结；
图2为多元氧化物经过高能球磨后成为纳米与准纳米的扫描电镜图片；
图3为高温熔盐电解铝试验电解槽结构示意图，图中I为惰性阳极；2为石墨坩埚，同时也是电解槽的阴极；3为带有螺纹的导电铜杆，螺栓旋入石墨坩埚的侧壁；4为带有TiB2涂层的石墨阴极；5为刚玉绝缘内套管；6为熔融电解质熔池；
图4为电解前后惰性阳极的实物照片，表明电解100小时后，惰性阳极的尺寸和形状无明显变化，腐蚀速率为O。
[0005]【具体实施方式】: 实施例1:
惰性阳极氧化物陶瓷相的百分组成为=Fe2O3 =NiO =ZrO2 =V2O5 =CeO2:Mg0=58.65wt%:28.35wt%:7wt%:2wt%:2wt%:2wt%。氧化物相与金属相的重量百分比为氧化物:金属=75wt%:25wt%。金属相由Fe、N1、Cu、Mn、Y五元素组成,五种金属在金属相中所占的百分比为 Fe:Ni:Cu:Mn:Y=40wt%: 12.5wt%:40.0wt%:6wt%: 1.5wt% ；
阳极的制备按如下七个步骤进行，
第一步:按比例(67.4wt%:32.6wt%)称取Fe2O3粉和NiO粉末，混合均匀后，放入陶瓷容器中在960°C下煅烧保温4小时，便形成NiFe2O3复合物；
第二步:把已煅烧并冷却的NiFe2O3取出与按百分比称取7wt%Zr02、2wt%V205、2wt%Ce02和2wt%Mg0四种粉末混匀，然后放入卧式搅拌高能球磨机中进行20小时的高能球磨，球料重量比不小于5，磨球由直径20 mm, 16 mm和12 mm及8 mm, 6 mm, 4 mm的硬质合金组成，搅拌磨的转速不小于100转/分。球磨20小时后，取出纳米和准纳米粉料，封装待用。图2为高能球磨所产出纳米氧化物粉末的扫描电镜图片；
第三步:按百分比(40wt%, 12.5wt%, 40wt%, 6wt%, 1.5wt%)称取上述五种微米级的金属(Fe、N1、Cu、Mn、Y)粉料混合均匀，并按上述金属相与氧化物相的重量比与第一步中所获得的纳米和准纳米氧化物粉末混均，再加入物料20wt%的工业酒精作分散剂，同时加入物料0.5wt%的油酸作表面改性剂，进行12小时的常规球磨。普通球磨结束前2小时，再向球磨机中加入物料总重量5wt%的聚乙二醇作粘结剂，加入后再继续球磨2小时后出料；
第四步:取出经过12小时常规球磨的物料在80°C左右的低温干燥箱中进行低温干燥，以除去物料中的酒精和水分，低温干燥时间6小时；
第五步:经过低温干燥的物料装入金属模中，在150Mpa的压力下，保压3分钟，即成
形；第六步:成形坯料的真空烧结:已成形的坯料，立放于平底石墨坩埚中进行真空烧结，烧结真空度为10°pa数量级，烧结加热到1200°C下保温110分钟，然后以2°C /分的冷却速度冷到120°C以下出炉；
第七步:进行铝电解试验:被烧结出炉的惰性阳极，经机械切削加工出螺纹后，与导电汇流牌相连接，并放入如图3所示的坩埚式试验电解槽中，进行铝电解试验。电解质的分子比MR=2.3，电解质的成分为目前碳阳极电解铝中所用的常规电解质。电解温度为940°C，极间距为4 Cm，槽电压为4.5~5.5伏，阳极电流密度在0.8~1.0安/ cm 2之间自然波动。在电解过程中，需根据电解槽的电流强度和铝的电化当量计算出Al2O3的单位时间消耗量，定期补加Al2O3 ；
经过100小时的电解试验，电流和槽电压均较稳定，在产出的电铝中，杂质含量为Fe=0.45wt%, Si=0.38wt%, Cu=0.06wt%, Ni=0.065wt%,符合 3 号招国标要求。在电解过程中，阳极的导电性良好,在整个电解过程中阳极的电阻在0.4~0.6之间变化，由于电解时间长，电解质的挥发损失会导致电解质的液面下降而引起电流降低，此时可补加一些旧电解质。此外，电解24小时后，需除铝一次，否则会导致铝液面上升，与阳极接触，导致短路和阳极烧损。电解结束后，取出阳极，在30wt%浓度的AlCl3溶液中煮沸，以除去粘附的电解质。然后，对阳极进行重量测试和尺寸测试，结果为阳极的重量比电解前增加，原因是阳极无明显溶解和腐蚀，反而因电解时进入阳极微孔中的液态电解质因不能完全清除而引起增重。阳极尺寸测量结果表明，阳极的长度和直径无减少，在大气与电解质液面交界部位，阳极的直径也无减少，表现为零腐蚀优秀结果，图4 (a) (b)分别为电解前后阳极的照片，可看出形状和尺寸无明显变化。 [0006]实施例2:
惰性阳极氧化物陶瓷相的百分比为=Fe2O3 =NiO =ZrO2 =V2O5 =CeO2:Mg0=58.65wt%:28.35wt%:6.0wt%:1.0wt%:3.0wt%:3.0wt%。金属相与氧化物相的百分组成为:氧化物:金属=80wt%:20wt%o金属相由Cu、N1、Fe、Co、Zn五元素组成，五种金属元素的重量百分比为:Cu:Fe:Ni:Co:Zn=42wt%:35wt%:12wt%:6wt%:5wt% ；
制备惰性阳极的方法和步骤与实施例1基本相同，与实施例1所不同只有如下三点:第一是煅烧合成尖晶石时，煅烧温充为920°C，保温时间为6小时；第二是在按图1的工艺流程进行常规球磨12小时时，所加入的改性剂为伯醇H0-R，加入量为物料的0.5wt% ;在常规球磨的最后2小时，向球磨机中加入的粘结剂是聚乙烯醋酸酯，加入量为物料的7wt%，第三是对已压成形的坯料进行烧结时，在纯度为99.99wt%的氩气中作保护气氛烧结，烧结温度为1250°C，烧结保温时间为100分钟，其余操作工艺同实施例1 ;
用所制出的阳极进行铝电解时，电解槽的结构和电解工艺参数和电解操作方式与实施例I基本相同，但与实施例1所不同的是电解质的分子比MR=2.5。电解温度为960°C。经过100小时的连续铝电解试验，在产出阴极铝产品中，杂质含量为:Fe:0.035wt%、Si:
0.21wt%，Cu:0.074wt%, N1:0.012wt%。杂质含量符合国标要求。电解结束后，取出阳极在AlCl3溶液中煮沸，清除粘附的电解质。电解100小时后，阳极的重量略有增加，而阳极的直径和长度与电解前基本相同，测不出半径和直径的减少。同样表现出阳极零腐蚀的优良效果，整个电解过程中，阳极有良好而稳定的导电性能。
[0007]实施例3:惰性阳极中氧化物陶瓷相与金属总量的百分比为:Σ氧化物:Σ金属=85wt%:15wt% ;氧化物相中各氧化物的重量百分组成为:Fe203:NiO =ZrO2 =V2O5 =CeO2:Mg0=58.65wt%:28.35wt%:6.5wt%:1.5wt%:2.5wt%:2.5wt%。金属相由 Fe、Cu、N1、Cr、T1、V六组元组成。各金属组元的重量百分组成为:Fe:Cu:Ni:Cr:Ti:V=38wt%:40wt%:10wt%:5wt%:5wt%:2wt%0加入的所有氧化物和金属均为工业级微米粗粉。粉末粒度在100~250目之间；
制备惰性阳极的方法和步骤与实施例1基本相同。所不同的只有如下三点:第一是煅烧合成尖晶石时，煅烧温度为940°C，保温时间为5小时；第二是当按图1的工艺进行常规球磨12小时时，所加入的纳米粉末表面改性剂为油酸，加入量为物料的1.0wt%，在球磨的最后2小时；需加入的粘结剂是聚乙烯聚合物，加入量为物料的3wt%，第三是对压成形的阳极进行真空烧结时，烧结温度为1150°C，保温时间为120分钟，其余的操作工艺同实施例1 ;
在用惰性阳极进行铝电解试验时，电解质的分子比MR=2.2，电解质的其他成分与常规电解质相同。电解温度为930°C，其余电解工艺同例一。经过50小时的铝电解试验后，在产出阴极铝中，杂质的重量百分含量为 Fe=0.04wt%, Si=0.17wt%,Cu=0.083wt%,Ni=0.024wt% ；杂质含量符合国标要求。电解50小时后，经过AlCl3溶液煮沸清除粘附的电解质后。称量阳极重量时重量略有增加，而阳极的长度和直径则与电解前基本相同，测不出直径的减少，在电解过程中，阳极仍然表现 出零腐蚀的优良效果和良好而稳定的导电性。
【权利要求】
1.一种氧化物金属陶瓷惰性阳极及其制备方法和应用，其特征在于该氧化物金属陶瓷惰性阳极由氧化物陶瓷相和金属相组成，两相的重量百分比为: Σ氧化物:Σ金属=75~85:25~15。
2.权利要求1所述的氧化物金属陶瓷惰性阳极，其特征在于: (a)氧化物相由Fe2O3,NiO两主要成分和ZrO2、V2O5、Ce02、及MgO四种以改性为目的的添加剂组成:六种成分的百分组成为=Fe2O3:NiO =ZrO2 =V2O5 =CeO2:Mg0=58.65wt%:28.35wt%:6~7wt%:1~2wt%:2~3wt%:2~3wt% ;所加入的上述氧化物均为工业纯微米粉末； (b)惰性阳极的金属相由5到6种金属元素组成，这5到6种金属元素从如下12种金属元素中选取:Fe、N1、Cu、Co、Zn、Mn、Y、Cr、T1、V、Ta、Nb ;所加入的金属成分为99.0~99.9wt%工业纯度的微米粉末。
3.权利要求1所述的熔盐电解铝用氧化物金属陶瓷惰性阳极的制备方法，其制备工序由如下七个步骤组成: 第一步为煅烧合成NiFe2O4尖晶石:将Fe2O3和NiO分别按67.4wt%和32.6wt%的百分比称重、混匀，並在920~950°C的高温炉中煅烧4到6小时，冷后便成NiFe2O4尖晶石； 第二步为用高能球磨法制 取混合氧化物纳米和准纳米粉:把第一步所获得的NiFe2O4尖晶石与权利要求2中的Zr02、V2O5, CeO2和MgO四种氧化物粉末混匀后，放入立式或卧式高能球磨机中，经25~30小时的高能球磨,使物料达到50~200nm的纳米和准纳米粒级，高能球磨的工艺参数为:球料重量比不少5 ;搅拌转速不少于100转/分，磨球直径为4和6和8和25mm的硬质合金球组成； 第三步为用普通球磨法制取氧化物金属均匀混合粉:按权利要求1均匀混合第二步制备的粉末和金属混合粉，再与分散剂工业酒精和纳米表面改性剂一同加入普通球磨机中，进行12小时的普通球磨，纳米表面改性剂为伯醇HO-R或油酸，加入量为阳极混合原料的0.5~1.0wt% ;工业酒精的加入量为阳极混合原料的20wt%，在普通球磨结束前二小时，还需向球磨物料中加入物料的3~7wt%的粘结剂，粘结剂从聚乙烯醇、聚乙烯聚合物、聚乙二醇、聚碳酸酯、聚乙烯醋酸酯中任选其中一种； 第四步为球磨料的低温干燥:干燥的温度为80~120°C，干燥时间为6~10小时； 第五步为物料压成形:用金属模具机械压力机压成形，或用橡皮模等静压压成形，成形压力200~250Mpa，保压时间3分钟； 第六步为成形坯料的烧结:坯料在氩气保护气氛炉中或真空炉中烧结，烧结温度为1150到1250°C，在烧结温度下保持100-120分钟，真空烧结的真空度数量级为10°~10 一1Pa,氩气保护烧结的炉内气压为3~5cm水柱的微正压；烧结前后坯料的长度收缩到原来的80~85%，横断面收缩到70~74% ； 第七步为对烧结成形的惰性阳极进行机械切削，加工出与导电汇流牌连接的螺纹。
4.权利要求1，2所述的氧化物金属陶瓷惰性阳极，其特征在于该氧化物金属陶瓷惰性阳极作为熔盐电解铝碳素阳极的替代物。
【文档编号】C25C3/12GK104005054SQ201310056374
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2013年2月22日 优先权日:2013年2月22日
【发明者】不公告发明人 申请人:王宇栋