[发明专利]一种铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料及制备工艺

说明书

技术领域

本发明公开了一种铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料及制备工艺；属于复合材料制备技术领域。

背景技术

氧化物基金属陶瓷兼顾氧化物陶瓷的强耐腐蚀性、良好热稳定性、抗氧化性和金属的良好导电性及抗热冲击性等优点，被认为是最有可能代替现行炭素阳极成为熔盐电解（如电解铝）的惰性阳极材料之一。目前，铁酸镍-铜金属陶瓷材料的制备主要采用混合粉末烧结法。采用混合粉末烧结法制备该类复合材料时，由于铜熔体与铁酸镍间的润湿性较差，而陶瓷基体的烧结致密化所需温度高于铜的熔化温度，出现铜在烧结过程中聚集、溢出现象，难以获得致密的、具有三维网状贯穿结构的金属陶瓷材料。金属相对材料导电性能的贡献得不到充分发挥，材料的电导率一般低于90S/cm，相比炭素阳极（约200S/cm）仍有一定距离。熔渗法是制备复合材料的常用方法之一，采用该法可以制备出金属相与陶瓷相呈三维网状贯穿结构的复合材料，材料具有较好的导电性能与力学性能。但该制备方法要求金属相熔体与陶瓷相间具有良好的润湿性，改善金属相与陶瓷相间润湿性的主要方法有提高烧结温度，对陶瓷颗粒进行涂层处理，向液态金属中添加合金元素等。其中，改善铜熔体与铁酸镍间润湿性的主要方法是向金属中添加金属Ni，然而Ni在电解过程中易发生电化学腐蚀。目前还没有关于熔渗法制备铁酸镍-铜金属陶瓷的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铁酸镍与铜熔体润湿性能好，制备的金属陶瓷显微结构均匀，致密度较高，具有三维网状贯穿结构，电导率和抗热震性能得到大幅度提高的铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料及制备工艺。

本发明一种铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料，包括下述组分，按质量百分比组成：

陶瓷相  60—85%，

金属相  15—40%；

所述陶瓷相为铁酸镍或铁酸镍基复合陶瓷，所述铁酸镍基复合陶瓷由选自Zn、Co、Nd、Y、Al、Fe、Ni中的一种或两种金属元素的氧化物与铁酸镍构成；

所述金属相由金属铜与氧化亚铜组成，所述氧化亚铜占所述金属相总质量的1-20%。

本发明一种铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料，所述铁酸镍基复合陶瓷中，铁酸镍与金属氧化物的质量百分比为99：1-7：3。

本发明一种铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料的制备工艺，包括以下步骤：

第一步：原材料准备

按设计的陶瓷相、金属相质量配比，分别取陶瓷相与金属相原材料；所述陶瓷相原材料为铁酸镍或铁酸镍基复合陶瓷粉末；所述金属相原材料为金属铜，金属铜与氧化亚铜的混合物或金属铜与氧化铜的混合物；所述陶瓷相原材料的平均粒径1-30μm；所述金属相原材料的平均粒径2-20μm；

第二步：制坯

向所述陶瓷相原材料中添加成形剂，按粉末冶金常规制坯工艺压制成形、脱脂，得到陶瓷脱脂坯；将所述陶瓷脱脂坯加热至800—1300℃，保温120-300分钟，随炉冷却后，得到孔隙率为10-40%的陶瓷预制坯；

将金属相原材料冷压成型，得到熔渗料坯；

第三步：熔渗

将熔渗料坯与陶瓷预制坯叠放，在氧分压为10-2000Pa的氮气保护气氛下以1—10℃/min的升温速率，加热至1100—1350℃保温0.5—4小时进行烧结，随炉冷却，得到铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料；其中，当熔渗料坯为金属铜时，氮气气氛的氧分压为500-2000Pa；当熔渗料坯为金属铜与氧化亚铜混合物或金属铜与氧化铜混合物时，氮气气氛的氧分压为10-500Pa。

本发明一种铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料的制备工艺中，脱脂温度为400-800℃；保温时间为2-4小时，脱脂气氛为空气。

本发明一种铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料的制备工艺中，金属相冷压成型的压力为50-200MPa。

本发明一种铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料的制备工艺中，所述烧结是将熔渗料坯与陶瓷预制坯叠放在氧化铝坩埚内，然后将它们一起放入烧结炉进行烧结。

本发明通过控制烧结气氛的氧分压，可以使铜金属中含有一定量的氧化亚铜。因此，制备铁酸镍-铜金属陶瓷惰性阳极材料时，可以直接采用金属铜，也可以将氧化亚铜或氧化铜直接加入铜金属中；通过控制烧结气氛的氧分压，使金属铜部分原位氧化成氧化亚铜；或使氧化铜转变成氧化亚铜。