一种铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法与应用

本发明涉及铝电解相关技术，具体涉及一种共晶金属陶瓷惰性阳极材料及其制备方法及应用。

背景技术：

1、镍铁氧体陶瓷由于其较好的导电性能和一定抗高温熔盐腐蚀性能，成为近几十年来电解铝行业研究的热点陶瓷材料。主要原因是这类陶瓷惰性阳极可以减少电解铝电解过程中的碳排放。

2、铁酸镍基陶瓷惰性阳极为了达到致密度、力学性能和导电性能以及耐高温熔盐腐蚀性能的平衡，往往会加入不同金属组元来提高导电性，形成一大类金属陶瓷阳极材料。

3、按照实际生产条件测试研究表明，通过高温熔盐腐蚀实验，这类陶瓷惰性阳极在电解过程中金属和晶界优先腐蚀，从而造成金属陶瓷惰性阳极表面易出现微孔，给高温熔盐电解质提供了渗透通道，金属陶瓷惰性阳极进一步被电化学腐蚀和化学腐蚀。

4、为了提高金属陶瓷阳极耐腐蚀性，现有技术提出许多提高陶瓷致密度烧结方法和措施，但提高金属陶瓷材料抗腐蚀性的收效并不大。另外，按照传统金属陶瓷烧结工艺，大型金属陶瓷阳极烧制十分困难，这类阳极材料产业化制造难度极大，相关的成型、烧制工艺技术复杂，限制了金属陶瓷阳极在电解铝行业的应用。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷或不足，本发明提供了一种铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法。

2、为此，本发明所提供的铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法包括：

3、步骤1，制备预烧结体：

4、将nife2o4基尖晶石粉末、镍绿石粉末、非氧化物陶瓷粉末和金属粉末的混合粉料与粘结剂混合、造粒成10～30目颗粒料，接着将颗粒料在100～200mpa的压力下，压制成型制得生坯；后续将生坯在惰性气体保护性气氛中于1200～1400℃预烧3-5小时，获得金属陶瓷预烧结体；

5、所述非氧化物陶瓷粉末含有mxene、zrb2、tib2、tin和vn；所述金属粉末选自co粉、fe粉、ni粉、ti粉和cu粉中的两种以上混合物；

6、以质量比为100％计，所述nife2o4基尖晶石粉末、镍绿石粉末和非氧化物陶瓷粉末的总质量占比为50wt％～90wt％，金属粉末的质量占比为10wt％～50wt％；

7、以质量比为100％计，所述nife2o4基尖晶石粉末质量占比为40wt％～70wt％，镍绿石粉末质量占比为10wt％～20wt％，非氧化物陶瓷粉末质量占比为20wt％～40wt％；

8、所述粘结剂选自聚乙烯醇和聚乙二醇中的一种或两种的混合物，且粘结剂的质量为nife2o4基尖晶石粉末、镍绿石粉末、非氧化物陶瓷粉末和金属粉末总质量的0.5wt％-2wt％；

9、步骤2，预烧结体熔化与冷却固化：

10、将预烧结体在惰性气体保护气体中进行加热熔制，使得预烧结体成熔融态；然后按照1-100℃/min的冷却速度冷却固化，或者，将熔融态物料浇铸后以1-100℃/min的冷却速度冷却固化，获得陶瓷固化体；

11、步骤3，热处理：

12、将步骤2获得的陶瓷固化体在1250-1500℃的温度下处理2-6小时，用于调整微观组织结构和消除应力，之后以1-50℃/min的降温速度冷却到室温，获得铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料。

13、可选的方案是，所述混合粉料粒度小于100目。

14、可选的方案是，步骤1中将nife2o4基尖晶石粉末、镍绿石粉末、非氧化物陶瓷粉末、金属粉末、分散剂和水混合球磨12-24小时，制得粒度小于200目的金属陶瓷料浆，之后将料浆150℃温度下烘干后研细获得小于100目的混合粉料；

15、所述分散剂选自乙醇、乙二醇和丙三醇中的一种或两种以上的混合物，且分散剂质量占nife2o4基尖晶石粉末、镍绿石粉末、非氧化物陶瓷粉末和金属粉末总质量的1wt％-5wt％；

16、所述水的质量为nife2o4基尖晶石粉末、镍绿石粉末、非氧化物陶瓷粉末和金属粉末总质量的3-5倍。

17、可选的方案是，步骤2中将预烧结体在氩气保护气体中、于1700-2300℃温度下熔制1-2小时，使得预烧结体成熔融态。

18、可选的方案是，所述nife2o4基尖晶石中nife2o4占比20wt％～80wt％；znfe2o4占比0wt％～20wt％；cufe2o4占比0wt％～20wt％；cofe2o4占比0wt％～20wt％；mnfe2o4占比0wt％～20wt％，不含端点值0。

19、可选的方案是，所述镍绿石中nio占比20wt％～80wt％；bao占比0wt％～20wt％；ceo2占比0wt％～20wt％；zro2占比0wt％～20wt％；yb2o3占比0wt％～20wt％；v2o5占比0wt％～20wt％，不含端点值0。

20、可选的方案是，所述非氧化物陶瓷相中mxene占比20wt％～80wt％，zrb2占比0wt％～20wt％，tib2占比0wt％～20wt％；tin占比0wt％～20wt％，vn占比0wt％～20wt％，不含端点值0。

21、可选的方案是，所述金属粉末包含co粉、fe粉、ni粉、ti粉和cu粉，且ni粉占比20wt％～80wt％，cu粉占比0wt％～20wt％；ti粉占比0wt％～20wt％；co粉占比0wt％～20wt％；fe粉占比0wt％～20wt％；不含端点值0。

22、可选的方案是，步骤2中通过电弧熔化、放电等离子熔化、激光悬浮区熔化、光学浮区熔化、电子束熔化、高频电磁感应熔化和通电焦耳热熔化中的一种或几种组合的方式进行预烧结体熔化。

23、本发明所制备的材料的致密度为98％-100％之间；热震性为一次热震强度比90％-100％；力学性能为80-120mpa；高温耐腐蚀性为10-60微米；导电性为150-1000s/cm。

24、本发明同时提供上述材料的应用方案，具体用于制备复合阳极，所述复合阳极的制备方法包括：

25、采用上述步骤1制备金属陶瓷预烧结体；

26、之后将预烧结体在惰性气体气氛中进行加热熔制，使得预烧结体成熔融态；之后将熔融态物料浇铸于碳素阳极外表面，接着以1-100℃/min的冷却速度冷却固化，获得复合阳极固化体；

27、后续将获得的复合阳极固化体在1250-1500℃的温度下处理2-6小时，用于调整微观组织结构和消除应力，之后以1-50℃/min的降温速度冷却到室温，获得复合阳极。

28、本发明可大幅度提高铁酸镍基金属陶瓷材料的致密度，消除传统烧结金属陶瓷烧结过程中存在的晶界缺陷，提高金属陶瓷材料整体性能，包括耐腐蚀性、导电性和力学等性能；同时通过增加导电性良好的非氧化物陶瓷用量，减少金属粉体用量，增加材料耐腐蚀性。本发明的工艺便于成型，工艺流程简单，易与其他材料复合，有利陶瓷形状、尺寸控制，易于工业化。

29、本发明制备的该复合阳极可用于电解铝电解槽，用于电解氧化铝，获得金属铝和氧气。

技术特征：

1.一种铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法，其特征在于，方法包括：

2.根据权利要求1所述的铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法，其特征在于，所述混合粉料粒度小于100目。

3.根据权利要求1所述的铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法，其特征在于，步骤1中将nife2o4基尖晶石粉末、镍绿石粉末、非氧化物陶瓷粉末、金属粉末、分散剂和水混合球磨12-24小时，制得粒度小于200目的金属陶瓷料浆，之后将料浆150℃温度下烘干后研细获得小于100目的混合粉料；

4.根据权利要求1所述的铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法，其特征在于，步骤2中将预烧结体在氩气保护气体中、于1700-2300℃温度下熔制1-2小时，使得预烧结体成熔融态。

5.根据权利要求1所述的铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法，其特征在于，所述nife2o4基尖晶石中nife2o4占比20wt％～80wt％；znfe2o4占比0wt％～20wt％；cufe2o4占比0wt％～20wt％；cofe2o4占比0wt％～20wt％；mnfe2o4占比0wt％～20wt％，不含端点值0。

6.根据权利要求1所述的铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法，其特征在于，所述镍绿石中nio占比20wt％～80wt％；bao占比0wt％～20wt％；ceo2占比0wt％～20wt％；zro2占比0wt％～20wt％；yb2o3占比0wt％～20wt％；v2o5占比0wt％～20wt％，不含端点值0。

7.根据权利要求1所述的铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法，其特征在于，所述非氧化物陶瓷相中mxene占比20wt％～80wt％，zrb2占比0wt％～20wt％，tib2占比0wt％～20wt％；tin占比0wt％～20wt％，vn占比0wt％～20wt％，不含端点值0。

8.根据权利要求1所述的铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法，其特征在于，金属粉包含co粉、fe粉、ni粉、ti粉和cu粉，且ni粉占比20wt％～80wt％，cu粉占比0wt％～20wt％；ti粉占比0wt％～20wt％；co粉占比0wt％～20wt％；fe粉占比0wt％～20wt％；不含端点值0。

9.根据权利要求1所述的铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法，其特征在于，步骤2中通过电弧熔化、放电等离子熔化、激光悬浮区熔化、光学浮区熔化、电子束熔化、高频电磁感应熔化和通电焦耳热熔化中的一种或几种组合的方式进行预烧结体熔化。

10.一种复合阳极制备方法，其特征在于，方法包括：

技术总结
本发明公开了一种铁酸镍基共晶金属陶瓷惰性阳极材料制备方法与应用。所公开的方法通过将铁酸镍基金属陶瓷预烧结体进行高温熔化，通过控制冷却固化和热处理过程，调控金属陶瓷微观组织结构，制备出性能良好的共晶金属陶瓷惰性阳极，极大提高了金属陶瓷惰性阳极的整体性能，包括导电性、抗热震性、抗熔盐腐蚀性等，且制备工艺简单，易与其他材料复合，便于工业化。

技术研发人员：赵鹏
受保护的技术使用者：长安大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24