[发明专利]一种铝电解用梯度金属陶瓷惰性阳极材料

说明书

本发明公开了一种铝电解用梯度金属陶瓷惰性阳极材料，其特征在于：所述金属陶瓷惰性阳极材料由外及内金属相含量呈梯度升高，陶瓷相含量梯度减少，所述金属陶瓷惰性阳极材料由芯部、包裹芯部的中部、外层组成，所述外层为纯陶瓷相，所述中部分为m层，其中与外层接触的第1层，金属相含量为15～45wt％，同时任意相邻两层中靠近芯部的第n+1层中的金属相含量相比第n层中的金属相含量高5～15wt％。该铝电解用梯度金属陶瓷惰性阳极较常规金属陶瓷具有更好的综合性能，即芯部良好的导电性，外表面耐蚀。且该惰性阳极材料各层之间的热膨胀系数匹配性好，能够在共烧过程中实现共致密。

技术领域

本发明属于金属陶瓷惰性阳极制备技术领域，尤其涉及是一种铝电解用梯度金属陶瓷惰性阳极材料。

背景技术

无碳铝电解是解决现行基于碳素阳极铝电解的温室气体排放的最具前景的技术。为取代碳素阳极，实现无碳铝电解的长时间稳定服役，惰性阳极需要满足高温电解液“冰晶石”熔盐的含氧侵蚀，易于与合金导杆实现电连接，良好的导电性和抗热震性能等。铁酸镍基金属陶瓷因具有铁酸镍陶瓷的高耐蚀性能和金属的导电与强韧性，使其成为铝电解惰性阳极的最具前景的候选材料。

然而金属陶瓷两相的性能差异，使得单一的均质成分难以兼顾高导电率和耐蚀性能。因此，合金阳极或高金属含量的金属陶瓷的耐蚀性能最为关键。其解决思路为在合金阳极或高金属含量金属陶瓷阳极表面喷涂一层铁酸镍或其他氧化物耐蚀陶瓷层，或将阳极进行高温预氧化，预先获得一层氧化层。然而，该耐蚀层的厚度有限，过厚会增加涂层与基体的界面热应力，引起氧化层剥落而降低阳极的耐蚀性能。而富陶瓷相的金属陶瓷阳极虽然具有极好的耐熔盐腐蚀，但其导电性能与合金相差甚远，且在高温电解时容易因界面热震引起开裂。基于此，梯度结构金属陶瓷惰性阳极具有表面优异的耐蚀性和芯部优异的导电性能，使其更适合铝电解的苛刻环境使役要求。但是梯度结构金属陶瓷惰性阳极要满足一体化烧结以及长时间的高温热作用，其存在以下问题：(1)各层之间的烧结一致性难以匹配，当两层之间的线收缩率差大于3％时，且厚度大于15mm时，阳极容易发生变形，甚至是表面出现层裂纹；(2)如何有效通过调节层层之间的成分差异、粉体的烧结活性，以满足一体化烧结。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明旨在提出一种铝电解用梯度金属陶瓷惰性阳极，本发明通过巧妙将金属陶瓷惰性阳极进行分层，并设计各层成份、物相、厚度，原料粉末粒度搭配，使得该梯度金属陶瓷各层之间的烧结匹配性好，经过一体化烧结和表面喷涂或预氧化，即可获得高性能铝电解用梯度金属陶瓷惰性阳极。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明一种铝电解用梯度金属陶瓷惰性阳极材料，所述金属陶瓷惰性阳极材料由外及内金属相含量呈梯度升高，陶瓷相含量梯度减少，所述金属陶瓷惰性阳极材料由芯部、包裹芯部的中部、外层组成，所述外层为纯陶瓷相，所述中部分为m层，其中与外层接触的第1层，金属相含量为15～45wt％，优选为20～30wt％，同时任意相邻两层中靠近芯部的第n+1层中的金属相含量相比第n层中的金属相含量高5～15wt％，优选为8～12wt％。

优选的方案，所述芯部为实心结构或空心结构。

在本发明中，芯部可为实心结构或空心结构，当其为实心结构时其芯部可直接加工，并满足金属导杆连接。当空心结构时，直接为后续合金导杆连接提供空间。

进一步的优选，当芯部为实心结构时，芯部金属相含量≥60wt％，优选为90～100wt％。

进一步的优选，当芯部为实心结构时，芯部的直径为4～30mm，优选为8～15mm。

进一步的优选，当芯部为空心结构时，中部的内表面层中金属相含量为60～80wt％，优选为65～75wt％。在该成份下与纯合金导杆电连接效果最佳。

优选的方案，所述最外层的厚度为50～1000μm，优选为100～300μm。