NiFe2O4基陶瓷的导电和熔盐腐蚀行为研究

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NiFe2O4基金属陶瓷是目前最具工业化应用前景的铝电解惰性阳极材料之一,要求陶瓷基体易实现高致密度烧结,并具有优良的导电性能和耐高温熔盐腐蚀性能。论文在国家“973”、“863”等项目的资助下,重点研究了烧结气氛、Nb205掺杂及第二相组元NiO对NiFe2O4基陶瓷相对密度、导电性能和熔盐腐蚀行为的影响,并对电解过程中阳极表面陶瓷致密层的形成机制进行了探讨。论文主要完成了以下工作:(1)分别在空气和氮气气氛下烧结制备了NiFe2O4陶瓷,发现采用氮气气氛烧结能大幅度提高NiFe2O4陶瓷的相对密度、导电性能以及耐腐蚀性能;氮气气氛下烧结的NiFe2O4陶瓷电解后阳极表面形成了尖晶石陶瓷致密层,这种陶瓷致密层的形成是保证NiFe2O4陶瓷优良耐腐蚀性能的关键;阐明了两种烧结气氛对NiFe2O4陶瓷性能的影响机制。(2)发现适量的Nb205掺杂可进一步提高氮气气氛下烧结的NiFe2O4陶瓷的相对密度和导电性能;掺杂Nb205后阳极表面仍能形成耐腐蚀的尖晶石陶瓷致密层;探讨了Nb205掺杂对氮气气氛下烧结的NiFe2O4陶瓷性能的作用机制。(3)发现添加NiO可导致氮气气氛下烧结的NiFe2O4陶瓷性能的下降,但NiO的适量添加却有利于NiFe2O4基金属陶瓷相对密度、导电性能以及耐熔盐腐蚀性能的提高,这主要是由于NiO作为“中间相”能促进金属陶瓷材料的烧结引起的。(4)发现NiO相晶粒内“十字状”析出物为NiFe2O4,主要是在烧结降温过程中Ni-Fe-O化合物发生过饱和共格析出形成的;NiFe2O4相析出物对电解过程中NiO相形貌演变的影响也进行了研究。(5)明确了一种NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极的熔盐腐蚀行为。电解初期阳极表层的Cu-Ni金属相就以一个较快的速度发生了优先腐蚀溶解,表层金属相腐蚀溶解的同时次表层金属相也发生氧化反应;电解过程中,NiFe2O4和NiO相中Fe/Ni原子比均有不同程度的下降,存在Fe元素的优先腐蚀溶解;金属相含量的增加并不利于NiFe2O4基金属陶瓷惰性阳极表面尖晶石陶瓷致密层的形成。(6)阐明了电解过程中NiFe2O4基陶瓷阳极表面陶瓷致密层的形成机制。在新生态氧的作用下,NiO相内部细小尖晶石相颗粒的长大、基体尖晶石相向NiO相方向的扩展以及新生物相(Ni, Fe)Al2O4在阳极表面的沉积是形成陶瓷致密层的关键因素。
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