一种低金属相含量的金属陶瓷惰性阳极材料及制备方法与流程

本申请涉及阳极材料，尤其涉及一种低金属相含量的金属陶瓷惰性阳极材料及制备方法。

背景技术：

1、传统预焙炭阳极铝电解生产过程中因炭阳极消耗、阳极效应而导致碳排放强度高，因此碳排放量大的问题日趋突显。为解决上述问题，现阶段采用惰性阳极铝电解技术进行预焙炭阳极的生产，由于惰性阳极铝电解技术的电解过程无二氧化碳、so2和pfcs排放，且电解过程每吨铝产生约0.88吨氧气，因此惰性阳极铝电解技术成为了铝冶炼行业持续低碳化发展和实现碳中和目标的一个关键技术。

2、目前现有惰性阳极材料大致可以分为三种：金属/合金、氧化物陶瓷和金属陶瓷，其中，金属/合金阳极导电性好，但抗腐蚀性能差，特别是在电解温度较高的条件下；氧化物陶瓷阳极耐腐蚀性能良好，但导电性能和抗热震性能不佳；金属陶瓷阳极是以nife2o4陶瓷为基体，并添加一定量的金属相，从而达到综合金属与陶瓷优点的效果，被认为是最优可能代替现行炭阳极的铝电解用惰性阳极材料。

3、然而在实际实施过程中，金属陶瓷惰性阳极的导电性、耐腐蚀性和抗热震性能难以兼顾，例如当金属陶瓷内金属相含量高时，虽然其导电性和抗热震性能较好，但金属相的耐腐蚀和抗氧化性能远低于nife2o4陶瓷，这使得电解过程存在金属相优先腐蚀的现象，导致铝电解产出的产品铝的纯度受到影响；而当金属含量低时，虽然金属陶瓷惰性阳极的耐腐蚀性能好，但其导电性减弱、脆性增加。因此金属陶瓷惰性阳极的综合性能是否平衡会严重制约惰性阳极铝电解技术的工业化应用。

技术实现思路

1、本申请提供了一种低金属相含量的金属陶瓷惰性阳极材料及制备方法，以解决现有技术中金属陶瓷惰性阳极的导电性、耐腐蚀性和抗热震性能难以兼顾的技术问题。

2、第一方面，本申请提供了一种低金属相含量的金属陶瓷惰性阳极材料，以质量分数计，所述金属陶瓷惰性阳极材料包括：金属相：3％～5％和陶瓷相：95％～97％；其中，所述金属相的金属元素包括cu、ni和fe；所述陶瓷相包括nife2o4·10nio、tin、zrb2和氧化物添加剂。

3、可选的，以质量分数计，所述金属相包括：cu：45％～55％，fe：5％～8％，其余为ni。

4、可选的，以质量分数计，所述陶瓷相包括：tin：15％～20％，zrb2：0.5％～5％，氧化物添加剂：0％～3％，余量为nife2o4·10nio。

5、可选的，所述氧化物添加剂包括以下至少一种：

6、mno2、zro2、v2o5、cuo、tio2、y2o3、lao、ceo2和nd2o5。

7、第二方面，本申请提供了一种制备第一方面所述的金属陶瓷惰性阳极材料的方法，所述方法包括：

8、对金属粉、nife2o4·10nio陶瓷粉体、tin陶瓷粉体、zrb2陶瓷粉体和氧化物添加剂进行混合，得到第一混合粉体；

9、对粘接剂和所述第一混合粉体进行混合，并进行研磨，得到第二混合粉体；

10、对所述第二混合粉体进行干燥，后进行筛分，得到金属陶瓷混合粉；以及，

11、对所述金属陶瓷混合粉进行模压成型，后进行脱脂烧结，得到金属陶瓷惰性阳极材料。

12、可选的，所述粘接剂和所述混合粉体的质量比为10％～50％。

13、可选的，所述粘接剂包括聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为8％～12％。

14、可选的，所述金属粉包括cu、ni和fe的单质金属粉或含cu、ni和fe元素的三元合金粉；

15、所述cu单质金属粉、所述ni单质金属粉、所述fe单质金属粉和所述三元合金粉的粒径为80目～300目。

16、可选的，所述脱脂烧结包括脱脂阶段和高压烧结阶段，所述脱脂阶段包括在无氧环境条件下进行脱脂；

17、所述高压烧结阶段包括在预设氧浓度的条件下进行烧结，所述预设氧浓度为100ppm～500ppm，所述烧结的温度为1200℃～1400℃。

18、可选的，所述nife2o4·10nio陶瓷粉体的制备步骤包括：

19、对fe2o3粉末和nio粉末以湿磨的方式进行混配，后进行干燥，得到nife2o4·10nio陶瓷粉体前体；

20、对所述nife2o4·10nio陶瓷粉体前体进行煅烧，得到nife2o4·10nio陶瓷粉体；

21、其中，所述湿磨中分散介质与所述前体混合物的体积比1.5～2。

22、本申请实施例提供的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：

23、本申请实施例提供的一种低金属相含量的金属陶瓷惰性阳极材料，通过控制金属陶瓷惰性阳极材料内金属相整体比例降低至3％～5％，此时金属相的作用不再是用于提升金属陶瓷的导电性，而是为了在电解过程中实现金属相氧化，该金属相氧化后会发生体积膨胀以封堵阳极基体的气孔和金属相腐蚀通道，并且还会与陶瓷相原位生成nife2o4等尖晶石为主的致密耐蚀层，该致密耐蚀层可以减缓或阻断金属相持续的腐蚀，以及提升金属陶瓷阳极的韧性和整体的抗热震性能，同时在陶瓷相中加入tin和zrb2，利用tin与陶瓷相中的fe2o3和nio反应生成ni3tio5和n2以及少量ni-fe合金相，而ni3tio5与ni-fe合金分散在晶界处起到钉扎作用和增强导电的作用，同时n2逸散会留下微气孔，这些过程都提升了金属陶瓷的抗热震性能和强度，并且zrb2具有良好的导电性能，烧结后可提升nife2o4的导电性；并且加入氧化物添加剂可以协助烧结充分进行，使得陶瓷相更加致密，并提高耐腐蚀性能，因此通过设计金属陶瓷惰性阳极材料的组分，解决了金属陶瓷惰性阳极电导率、耐腐蚀性和抗热震性能难以兼顾的难题。

技术特征：

1.一种低金属相含量的金属陶瓷惰性阳极材料，其特征在于，以质量分数计，所述金属陶瓷惰性阳极材料包括：金属相：3％～5％和陶瓷相：95％～97％；其中，所述金属相的金属元素包括cu、ni和fe；所述陶瓷相包括nife2o4·10nio、tin、zrb2和氧化物添加剂。

2.根据权利要求1所述的金属陶瓷惰性阳极材料，其特征在于，以质量分数计，所述金属相包括：cu：45％～55％，fe：5％～8％，其余为ni。

3.根据权利要求1所述的金属陶瓷惰性阳极材料，其特征在于，以质量分数计，所述陶瓷相包括：tin：15％～20％，zrb2：0.5％～5％，氧化物添加剂：0％～3％，余量为nife2o4·10nio。

4.根据权利要求3所述的金属陶瓷惰性阳极材料，其特征在于，所述氧化物添加剂包括以下至少一种：

5.一种制备如权利要求1-4任一项所述的金属陶瓷惰性阳极材料的方法，其特征在于，所述方法包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述粘接剂和所述混合粉体的质量比为10％～50％。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述粘接剂包括聚乙烯醇溶液，所述聚乙烯醇溶液的质量浓度为8％～12％。

8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述金属粉包括cu、ni和fe的单质金属粉或含cu、ni和fe元素的三元合金粉；

9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述脱脂烧结包括脱脂阶段和气氛烧结阶段，所述脱脂阶段包括在无氧环境条件下进行脱脂；

10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述nife2o4·10nio陶瓷粉体的制备步骤包括：

技术总结
本申请涉及阳极材料技术领域，尤其涉及一种低金属相含量的金属陶瓷惰性阳极材料及制备方法；以质量分数计，所述金属陶瓷惰性阳极材料包括：金属相：3％～5％和陶瓷相：95％～97％；其中，所述金属相的金属元素包括Cu、Ni和Fe；所述陶瓷相包括NiFe<subgt;2</subgt;O<subgt;4</subgt;·10NiO、TiN、ZrB<subgt;2</subgt;和氧化物添加剂；通过设计金属陶瓷惰性阳极材料的组分，解决了金属陶瓷惰性阳极电导率、耐腐蚀性和抗热震性能难以兼顾的难题。

技术研发人员：陈开斌,包生重,李静,石序,李冬生,侯光辉,王怀江,马军义,滕媛,石梦寒
受保护的技术使用者：中铝郑州有色金属研究院有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/24