[发明专利]一种铝电解用TiB2/TiB复合陶瓷阴极材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铝电解新型阴极材料及其制备领域，具体涉及一种铝电解用TiB₂/TiB复合陶瓷阴极材料及其制备方法。

背景技术

Hall-Heroult法是当今世界唯一的工业炼铝法。现行铝电解工业中，阴极材料不仅起着承载电流的作用，还要承受高温电解质熔体的化学侵蚀和铝液的物理冲蚀，现行铝电解槽一直采用碳质材料作为阴极材料，然而，炭素阴极与熔融金属铝不润湿，致使铝电解槽中必须存留18～30cm的熔融金属铝，导致电能消耗一直居高不下，铝的二次反应损失也较严重。铝冶炼从业者一直没有放弃对新型可润湿性阴极的探寻。

TiB₂在铝液中溶解度很小并且能被铝液很好的润湿。它具有熔点高、电导率高、硬度大、耐熔融铝液和冰晶石熔体的侵蚀等特点，一直以来被视为铝电解用可润湿性阴极的最佳材料，也是铝电解可润湿性阴极材料的研究热点。TiB₂陶瓷阴极材料是其中的研究热点之一，该材料采用烧结的方式得到，得到的材料致密度高、与铝液润湿性好，但是其烧结温度极高、制备成本昂贵，纯的TiB₂陶瓷材料烧结温度达到1800℃以上，为了降低制备成本，有研究者尝试采用Y₂O₃、TiC、WC、B₄C和CrB₂等烧结助剂来促进烧结的进行，虽然这些烧结助剂在一定程度上能够降低烧结温度，但是助剂的添加会降低材料的导电性，也会引入了新的杂质元素，可能会对Al液造成污染，同时其中的C组分可能与Al反应，生成Al₄C₃，导致材料失效；传统的TiB₂/C复合阴极材料也存在类似的问题。为此，本发明提出了一种新型TiB₂可润湿性阴极材料，在不引入其他杂质元素的情况下，通过烧结过程中Ti与TiB₂的原位反应制得TiB晶须，并将其作为复合材料的增强相，在降低烧结温度的同时，提高材料的力学性能。

本发明的一种铝电解用TiB₂/TiB复合陶瓷阴极材料烧结温度较低，得到的复合材料残余应力小、与铝液润湿性好、化学稳定性好，且力学、电学性能优异。

发明内容

本发明的目的是针对目前TiB₂陶瓷阴极材料及其制备研究中存在的缺陷，提供一种与铝液润湿性好、耐熔融电解质和铝液腐蚀、导电率高、力学性能优异且烧结温度低的TiB₂/TiB复合陶瓷阴极材料及其制备方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种铝电解用TiB₂/TiB复合陶瓷阴极材料的制备方法，是将80～95wt.％TiB₂粉末、5～20wt.％Ti粉末均匀混合、成型后烧结，得到TiB₂/TiB复合陶瓷阴极材料。

上述方法中TiB₂粉末和Ti粉末优选质量百分比分别为88～95wt.％、5～12wt.％。

上述方法中烧结温度为950～1850℃，烧结时间为1～12h。

烧结温度优选为1050～1650℃，烧结时间优选为3～8h。

上述方法中烧结过程均在真空或惰性气氛下进行，采用的惰性气体为Ar、He、N₂中的一种或多种。

上述方法中所述的TiB₂粉末颗粒粒度为50～150μm。

上述方法中所述的Ti粉末颗粒粒度为1～40μm，纯度不低于99.9％。

一种铝电解用TiB₂/TiB复合陶瓷阴极材料，是由上述的方法制备而成的。

本发明Ti粉末能在烧结温度下与TiB₂发生原位反应，生成TiB晶须，TiB晶须在复合材料中起增强相的作用。

本发明TiB₂、Ti、TiB热膨胀系数、密度差别不大，烧结过程中，体积变化小，制品致密度高、残余应力小，有利于复合材料获得良好的力学性能。