一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料及其制备方法，所述金属陶瓷材料由金属相以及陶瓷相组成；所述金属相在金属陶瓷材料的质量分数为20％‑70％，优选为38％‑62％，所述金属相包含Fe、Cu、Ni，同时还包含Cr、Co、Mn中的至少一种，所述陶瓷相包含NiFe

【技术实现步骤摘要】
一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料及其制备方法
本专利技术涉一种金属陶瓷复合材料，特别是一种具有更高抗腐蚀性能的铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料。
技术介绍
为抑制铝电解过程的温室效应和实现污染气体的排放，以惰性阳极为核心的铝电解技术是铝工业升级换代、追求绿色发展的战略性支撑技术。上世纪90年代至今，国内外铝行业科研工作者虽然进行了大量的相关研究，至今仍没有可供工业化的惰性阳极问世，阳极材料的耐蚀性能及腐蚀抑制技术一直未得到有效的解决。NiFe2O4基金属陶瓷因在高温熔盐中良好的热稳定性和耐蚀性而受到研究人员的青睐，但陶瓷的均一性、抗热震性及导电性要远低于合金阳极，必须通过添加金属或合金元素加以改善，但过多合金相的存在又会损失材料的部分耐腐蚀性能。因此，选择合适的合金相体系及整体含量对NiFe2O4基金属陶瓷的应用起到至关重要的作用。目前，铝电解惰性阳极金属陶瓷材料中的金属相以Cu-Ni、Fe-Ni基合金居多，但大多会在使用中出现Fe、Cu的优先腐蚀而影响电极的使用寿命，同时也限制了金属陶瓷中合金成分的含量，使金属陶瓷的致密度和导电性难以进一步提升。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种金属相含量较高，且同时兼具优异耐蚀性能、致密度和导电性的铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料及其制备方法。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：本专利技术一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料，所述金属陶瓷材料由金属相以及陶瓷相组成；所述金属相在金属陶瓷材料的质量分数为20％-70％，优选为38％-62％，所述金属相包含Fe、Cu、Ni，同时还包含Cr、Co、Mn中的至少一种，所述陶瓷相包含NiFe2O4基陶瓷。本专利技术的所提供的金属陶瓷材料，以Fe-Cu-Ni合金作为金属相的主体，专利技术人发现，通过向合金相中引入Co、Cr、Mn等合金元素优化合金组分，再结合本身具有优异耐腐蚀性以的NiFe2O4基陶瓷，可以获得使得最终所得金属陶瓷材料迅速成膜，并可有效抵抗电解质的侵蚀，具有抗高温氧化和热腐蚀能力。专利技术人发现，将金属相的含量控制在本专利技术的范围内，可以在电解过程中形成稳定氧化膜，与氧化物陶瓷相共同形成具有良好耐腐蚀性能的致密保护层。而在金属相中，引入Cr、Co、Mn的至少一种金属元素，一方面能够补充电解过程中流失的金属元素，同时能够在一定程度上改善合金相的耐腐蚀能力，提高合金的导电能力，以及耐高温性等其他性能。优选的方案，所述金属相中，Fe的质量分数为30％-80％，优选为45％-60％；Cu的质量分数为5％-50％，优选为10％-20％；Ni的质量分数为5％-50％，优选为5％-20％；所述金属相中，Cr、Co、Mn的质量分数之和<20％。进一步的优选，所述金属相中，Cr的质量分数≤12％、Co的质量分数≤10％、Mn的质量分数≤5％。优选的方案，所述金属相中，还包含Nb、Mo、Zn、Sn、Pb、Ta中的至少一种，所述Nb、Mo、Zn、Sn、Pb、Ta的质量分数之和≤5％。上述金属元素可以对金属相进行增强同时作为消耗金属相的补充，从而进一步提升金属陶瓷材料的抗腐蚀性。优选的方案，所述金属相中，Zn的质量分数≤2％，Nb、Mo、Ta的质量分数之和≤1％，Sn、Pb的质量分数之和≤1％优选的方案，所述陶瓷相中，还包含NiO陶瓷，以及其他金属氧化物陶瓷，所述其他金属氧化物陶瓷中的其他金属选自Mn、Co、V、Yb、Y、Ba、Ce、Be中的至少一种；所述陶瓷相中，NiO陶瓷的质量分数≤20％，优选10％；所述其他金属氧化物陶瓷的质量分数为5％。专利技术人发现，NiO陶瓷与其他金属氧化物陶瓷的添加仅能够进一步提高陶瓷相在熔融电解质的中的化学稳定及电化学稳定性，同时增加陶瓷相基体的烧结活性，使其在烧结后易于获得更大相对密度。进一步的优选，所述其他金属氧化物陶瓷选自CoO、MnO2、V2O5、Yb2O3、Y2O3、CeO2、BaO、BeO中的至少一种，其中CoO在陶瓷相中的质量分数<5％，所述MnO2在陶瓷相中的质量分数<3％，所述V2O5在陶瓷相中的质量分数<2％，所述Yb2O3在陶瓷相中的质量分数<2％，所述Y2O3在陶瓷相中的质量分数<2％，所述CeO2在陶瓷相中的质量分数<1.5％，所述BaO在陶瓷相中的质量分数<1.5％，所述BeO在陶瓷相中的质量分数<1.5％。本专利技术提供的金属陶瓷材料,以混料-成型-排胶/脱脂-烧结的粉末冶金工艺路线完成制备。其成型的方式可选自机械压制或等静压成形、凝胶注模、熔融沉积中的任意一种。当成型方式为机械压制时，具体制备过程如下：本专利技术一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：将金属相粉末，陶瓷相粉末混合获得金属陶瓷粉末、将金属陶瓷粉末压制-擦筛，获得造粒粉，加入成型剂混合，然后通过机械压制获得生坯，生坯烧结即得金属陶瓷材料。优选的方案，所述压制-擦筛时，压制的压力为30-40MPa，擦筛过-40目+100目筛网。优选的方案，所述成型剂的加入量为造粒粉的1-3％，所述成形剂为硬脂酸。优选的方案，所述机械压制的压力为80-120MPa。优选的方案，所述烧结的温度为1100～1400℃，烧结的时间为1-6h。当成型方式为机械压制等静压成形时，具体制备过程如下：本专利技术一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：将金属相粉末，陶瓷相粉末、粘接剂混合、造粒、过筛获得金属陶瓷粉末、将金属陶瓷粉末等静压成形获得生坯，生坯经脱脂、烧结即得金属陶瓷材料。优选的方案，所述粘接剂的加入量为0.5-2％，所述粘接剂为聚乙烯醇(PVA)。优选的方案，所述过筛的筛网目数为100目，取筛下物。优选的方案，所述等静压成形的压力为80-120MPa。优选的方案，所述脱脂的温度为400～600℃，脱脂的时间为2～20h。所述脱脂在真空环境下以及保护气氛下进行均可。优选的方案，所述烧结的温度为1100～1400℃，烧结的时间为1-6h。更进一步的优选，所述烧结在流通的氮气气氛或氮氧混合气氛下进行，优选在氮氧混合气氛下进行，氧气分压为200～2000Pa，气体的流速为60-120mL/min。当成型方式为凝胶注模时，采用正辛醇溶剂体系，表面活性剂中含有少量高分子共聚物烷基铵盐作为分散剂，可使得金属陶瓷粉末中合金粉与陶瓷粉稳定且均匀分散，同时以甲基丙烯酸羟乙酯为有机单体(HEMA)、1,6-己二醇二丙烯酸酯(HDDA)为凝胶交联剂，该HEMA-HDDA凝胶体系的交联速度快，形成的交联网络强度高，且含量较小，能够进一步保证形成的金属陶瓷凝胶初坯具有良好的成分均匀性和足够的强度，在脱脂时收缩量小，最终在实现金属陶瓷惰性阳极的快速进净成形的同时，保证金属陶瓷的高致密度、高尺寸精度和成分均匀性。具体制备过程如下：本专利技术一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料的制备方法，包括如本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料，其特征在于：所述金属陶瓷材料由金属相以及陶瓷相组成；所述金属相在金属陶瓷材料的质量分数为20％-70％，所述金属相包含Fe、Cu、Ni，同时还包含Cr、Co、Mn中的至少一种，所述陶瓷相包含NiFe

【技术特征摘要】
1.一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料，其特征在于：所述金属陶瓷材料由金属相以及陶瓷相组成；所述金属相在金属陶瓷材料的质量分数为20％-70％，所述金属相包含Fe、Cu、Ni，同时还包含Cr、Co、Mn中的至少一种，所述陶瓷相包含NiFe2O4基陶瓷。


2.根据权利要求1所述的一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料，其特征在于：所述金属相中，Fe的质量分数为30％-80％，Cu的质量分数为5％-50％，Ni的质量分数为5％-50％；所述金属相中，Cr、Co、Mn的质量分数之和<20％。


3.根据权利要求1所述的一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料，其特征在于：所述金属相中，还包含Nb、Mo、Zn、Sn、Pb、Ta中的至少一种，所述Nb、Mo、Zn、Sn、Pb、Ta的质量分数之和≤5％；
所述金属相中，Zn的质量分数≤2％，Nb、Mo、Ta的质量分数之和≤1％，Sn、Pb的质量分数之和≤1％。


4.根据权利要求1所述的一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料，其特征在于：所述陶瓷相中，还包含NiO陶瓷，以及其他金属氧化物陶瓷，所述其他金属氧化物陶瓷中的其他金属选自Mn、Co、V、Yb、Y、Ba、Ce、Be中的至少一种；所述陶瓷相中，NiO陶瓷的质量分数≤20％；所述其他金属氧化物陶瓷的质量分数为5％。


5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将金属相粉末，陶瓷相粉末混合获得金属陶瓷粉末、将金属陶瓷粉末压制-擦筛，获得造粒粉，加入成型剂混合，然后通过机械压制获得生坯，生坯烧结即得金属陶瓷材料；
所述压制-擦筛时，压制的压力为30-40MPa，擦筛过-40目+100目筛网；
所述成型剂的加入量为造粒粉的1-3％，所述成形剂为硬脂酸；
所述机械压制的压力为80-120MPa；
所述烧结的温度为1100-1400℃，烧结的时间为1-6h。


6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种铝电解惰性阳极用金属陶瓷材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：将金属相粉末，陶瓷相粉末、粘接剂混合、造粒、过筛获得金属陶瓷粉末、将金属陶瓷粉末等静压成形获得生坯，生坯经脱脂、烧结即得金属陶瓷材料；所述粘接剂的加入量为0.5-2％，所述粘接剂为聚乙烯醇，所述过筛的筛网目数为100目，取筛下物；所述等静压成形的压力为80-120MPa，所述脱脂的温度为400～600℃，脱脂的时间为2～20h，所述烧结的温度为1100～1400℃，烧结的时间为1-6h。


7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：周科朝，张雷，李志友，熊慧文，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43