CN1548587A - 熔盐电解用金属陶瓷惰性阳极及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明与有色金属的熔盐电解法提取用电极有关,特别涉及金属陶瓷惰性阳极及其制备方法。其特征在于:先以0.01~100%SnO2、0~99%AB2O4、0~30%MxOy制备SnO2-AB2O4-MxOy陶瓷粉体,AB2O4为具有尖晶石结构的复合氧化物;再以陶瓷相为50~99%SnO2-AB2O4-MxOy陶瓷粉体,金属相为1~50%Ni-Cu-X合金粉末或相应含量的Ni,Cu和X的金属粉末制备金属陶瓷惰性阳极。本发明提高了陶瓷相的导电性能和耐腐蚀性能改善了金属相对陶瓷相的润湿性能,使得金属陶瓷惰性阳极烧结过程中金属相不溢出且分布均匀,达到了材料的致密化效果;避免了金属相的氧化和陶瓷相的离解或被还原,得到具有目标物相和良好性能的金属陶瓷惰性阳极材料。
Description
技术领域:
本发明与有色金属(Al、稀土和高熔点金属等)的熔盐电解法提取用电极有关,特别涉及金属陶瓷惰性阳极及其制备方法。
背景技术:
高温熔盐电解过程对惰性阳极材料提出了严格的要求,主要包括:能耐受电解质的腐蚀,溶解度小;能耐受高温新生态氧的渗蚀作用;有良好的导电性;机械强度高,抗热震性强,不易脆裂;容易加工成型,易于与金属导杆连接等。专利文献所报导的惰性阳极材料主要有金属氧化物陶瓷、合金阳极和金属陶瓷三类。其中,金属陶瓷兼顾了金属氧化物陶瓷的强耐腐蚀性和金属的良好导电性等优点,但存在抗热震性差、导电性差(常用陶瓷相基体NiFe2O4的导电性较差)、与金属导杆连接困难、难以大型化等问题;另外,在材料制备过程中,由于金属相(如Cu)对陶瓷基体的润湿性较差,故在陶瓷基体中的稳定性较差,容易发生金属相的溢出和分布不均匀,难以实现材料的致密化;材料烧结过程中容易发生金属相的氧化和陶瓷相的离解或被还原;电解使用条件下容易引起金属相的氧化和选择性溶蚀,同时带来陶瓷相的掉渣脱落。
发明内容:
针对金属陶瓷惰性阳极的上述问题,采用本发明所制备的金属陶瓷惰性阳极,取代有色金属熔盐电解法生产的现行消耗式阳极,实现生产过程的低能耗,无污染,低成本等目标。
本发明熔盐电解用金属陶瓷惰性阳极是以复合氧化物SnO2-AB2O4为陶瓷相基体,Ni-Cu合金为金属相基体,分别掺杂以不同含量的氧化物MxOy和金属x以及分散剂和粘结剂,经冷压—烧结法制备的金属陶瓷惰性阳极。其特征在于:
①制备金属陶瓷惰性阳极用SnO2-AB2O4-MxOy陶瓷粉体的原料配方(以质量百分含量计):0.01~100%SnO2、0~99%AB2O4、0~30%MxOy。AB2O4为具有尖晶石结构的复合氧化物;其中
A可为Ni,Mg,Co,Zn,Cu,Li和Fe中的至少一种;
B可为Fe,Al,Co,Mn,Cr和Ge中的至少一种;
M为Cu,Ag,Pd,Pt,Au,Rh,Ru,Ir,Co,Ni,Fe,Al,Sn,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Sb,V,Mb,Hf和稀土元素中的至少一种;
②制备金属陶瓷惰性阳极的原料配方(以质量百分含量计):陶瓷相为50~99%SnO2-AB2O4-MxOy陶瓷粉体,金属相为1~50%Ni-Cu-X合金粉末或相应含量的Ni,Cu和X的金属粉末;其中
金属相各种组元的质量百分含量为:0.1~99.9%Ni,0.1~99.9%Cu,0~30%X;X为Co,Cr,Fe,Ag,Pt,Au中的至少一种;优选金属相中至少含有Ni、Cu;
③分散剂为水,酒精,苯邻二甲酸,油酸、氨盐溶液,聚丙烯酰胺溶液,鱼油,丁基邻苯二酸盐,聚丙烯酸酯,聚丙烯酸胺中的至少一种。
④粘结剂为聚乙烯醇,羧甲基纤维素,羟基丙基纤维素,丙烯树脂溶液,亚硫酸盐溶液,明胶,聚乙二醇,聚乙烯丁酯,聚乙烯乙酯,聚乙烯乙醇,聚丙烯酸中的至少一种。
熔盐电解用金属陶瓷惰性阳极制备方法,其特征在于:首先制备陶瓷粉体,将SnO2与AB2O4和MxOy的原料、分散剂按配比配料,球磨混料后煅烧5~15小时,煅烧温度为650~1350℃;其中AB2O4和MxOy的原料直接以相应元素A、B和M的氧化物形式加入,或者以相应元素的碳酸盐、硝酸盐或其他盐类形式加入,加入量分别以元素A、B和M的相应氧化物当量数计;
然后制备金属陶瓷惰性阳极,陶瓷相和金属相粉末原料按配比配料后,加入分散剂和粘结剂进行球磨混料,烘干脱除液体添加剂后,采用模压或浇注—冷等静压法在100~400MPa下成型得到金属陶瓷生坯,在1000~1500℃下并控制烧结气氛中的氧分压烧结生坯,得到金属陶瓷惰性阳极。
本发明的优点与积极效果,表现在:
本发明提出的金属陶瓷惰性阳极的陶瓷基体采用金属氧化物MxOy掺杂的强耐腐蚀性SnO2-AB2O4复合氧化物陶瓷,在保持陶瓷相的抗电解质腐蚀能力的同时提高其导电性能;
在金属陶瓷粉体原料的球磨处理过程中同时加入分散剂和粘结剂,得到粒度合理、烧结性能良好且便于生坯成型的金属—陶瓷混合粉体原料;
金属陶瓷的金属相为Ni、Cu、X金属粉末或Ni-Cu-X合金粉末,改善了金属相对陶瓷相的润湿性能,使得金属陶瓷惰性阳极烧结过程中金属相不溢出且分布均匀,达到了材料致密化效果;
在材料烧结过程中,控制烧结气氛中的氧分压,避免了金属相的氧化和陶瓷相的离解或被还原,得到具有目标物相和良好性能的金属陶瓷惰性阳极材料。
附图说明:
图1:金属陶瓷惰性阳极用SnO2-AB2O4-MxOy陶瓷粉体制备工艺。
图2:SnO2-AB2O4-MxOy基金属陶瓷惰性阳极制备工艺。
图3:SnO2-NiFe2O4/Ni-Cu-Co金属陶瓷惰性阳极的金相显微照片。
图4:SnO2-NiFe2O4-Sb2O3/Ni-Cu-Cr金属陶瓷惰性阳极的金相显微照片。
图5:SnO2-NiAl2O4-NiO/Ni-Cu-Ag金属陶瓷惰性阳极的金相显微照片。
具体实施方式:
下面结合附图和实施例作进一步说明:
实施例1:
SnO2-NiFe2O4/Ni-Cu-Co金属陶瓷惰性阳极。
①制备陶瓷粉体,按图1的工艺流程进行,将表1中的原料加入作为分散剂的工业酒精,球磨处理8小时,1200℃下煅烧8小时,得到平均粒径为3.31μm的陶瓷粉体。X射线衍射物相分析表明陶瓷粉体中含有SnO2和NiFe2O4两种物相;所得陶瓷基体的耐腐蚀性能良好,铝电解温度下具有半导体性质,用作金属陶瓷惰性阳极的陶瓷基体的粉末原料。
表1 金属陶瓷惰性阳极用SnO2-NiFe2O4陶瓷粉体的原料配方实例
原 料 | 质量百分含量(%) |
SnO2 | 50.00 |
F2O3 | 36.58 |
NiO | 13.42 |
②制备金属陶瓷惰性阳极,按图2的工艺流程进行,将表2中的原料以工业酒精为分散剂,聚乙烯醇为粘结剂,球磨处理8小时后,80℃下烘干,得到平均粒径为3.42μm的金属—陶瓷混合粉体,在250MPa下将混合粉体模压成型,得到金属陶瓷生坯,将所得生坯在1250℃下烧结4小时,烧结过程中根据温度的变化调整烧结气氛中的氧分压;冷却后得到相对密度为92.5%,具有目标物相组成且金属相分布均匀(见图3的金相显微照片)的SnO2-NiFe2O4/Ni-Cu-Co金属陶瓷惰性阳极。
表2 SnO2-NiFe2O4/Cu-Ni-Co金属陶瓷惰性阳极的原料配方实例
原 料 | 质量百分含量(%) |
NiFe2O4-SnO2陶瓷粉体 | 90 |
80Ni-10Cu-10Co合金粉末 | 10 |
实施例2:
SnO2-NiFe2O4-Sb2O3/Ni-Cu-Cr金属陶瓷惰性阳极
①制备陶瓷粉体,按图1工艺流程进行,将表3中的原料以工业酒精为分散剂,球磨处理8小时,1200℃下煅烧8小时,得到平均粒径为3.11μm的陶瓷粉体。X射线衍射物相分析表明陶瓷粉体中主要含有SnO2和NiFe2O4两相。所得陶瓷基体的耐腐蚀性能良好,铝电解温度下具有半导体性质,导电性能良好,用作金属陶瓷惰性阳极的陶瓷粉体原料。
表3 金属陶瓷惰性阳极用SnO2-NiFe2O4-Sb2O3陶瓷粉体的原料配方实例
原 料 | 质量百分含量(%) |
SnO2 | 48.00 |
F2O3 | 36.58 |
NiO | 13.42 |
Sb2O3 | 2.00 |
②制备金属陶瓷惰性阳极,按图2工艺流程进行,将表4中的原料以工业酒精为分散剂,聚乙烯醇为粘结剂,球磨处理8小时后,80℃下烘干,得到平均粒径为3.45μm的金属—陶瓷混合粉体;在250MPa下将混合粉体模压成型得到金属陶瓷生坯。将所得生坯在1350℃下烧结4小时,烧结过程中根据温度的变化调整烧结气氛中的氧分压;冷却后得到相对密度为95.5%,具有目标物相组成且金属相分布均匀(见图4金属陶瓷惰性阳极的金相显微照片)的SnO2-NiFe2O4-Sb2O3/Ni-Cu-Cr金属陶瓷惰性阳极材料。
表4 SnO2-NiFe2O4-Sb2O3/Ni-Cu-Cr金属陶瓷惰性阳极的原料配方实例
原 料 | 质量百分含量(%) |
SnO2-NiFe2O4-Sb2O3陶瓷粉体 | 90 |
85Ni-10Cu-5Cr合金粉末 | 10 |
实施例3:
SnO2-NiAl2O4-CuO/Ni-Cu-Ag金属陶瓷惰性阳极
①制备陶瓷粉体,按图1工艺流程进行,将表5中的原料以工业酒精为分散剂,球磨处理8小时,1300℃下煅烧8小时,得到4.11μm的陶瓷粉体。X射线衍射物相分析表明陶瓷粉体中主要含有SnO2和NiAl2O4两相。所得陶瓷基体的耐腐蚀性能良好,铝电解温度下具有半导体性质,可用作金属陶瓷惰性阳极的陶瓷粉体原料。
表5 金属陶瓷惰性阳极用SnO2-NiAl2O4-CuO陶瓷粉体的原料配方实例
原 料 | 质量百分含量(%) |
SnO2 | 50.00 |
Al2O3 | 27.71 |
NiO | 20.29 |
CuO | 2.00 |
②制备金属陶瓷惰性阳极,按图2工艺流程进行,将表6中的原料以工业酒精为分散剂,聚乙烯醇为粘结剂,球磨处理8小时后,80℃下烘干,得到平均粒径为3.68μm的金属—陶瓷混合粉体;在200MPa下将混合粉体模压成型得到金属陶瓷生坯;将所得生坯在1350℃下烧结4小时,烧结过程中根据温度的变化调整烧结气氛中的氧分压;冷却后得到相对密度为97.12%,具有目标物相组成且金属相分布均匀(见图5金属陶瓷惰性阳极的金相显微照片)的SnO2-NiAl2O4-CuO/Ni-Cu-Ag金属陶瓷惰性阳极材料。
表6 SnO2-NiAl2O4-CuO/Ni-Cu-Ag金属陶瓷惰性阳极的原料配方实例
原 料 | 质量百分含量(%) |
SnO2-NiAl2O4-CuO | 90 |
65Ni-30Cu-5Ag合金粉末 | 10 |
Claims (8)
1.熔盐电解用金属陶瓷惰性阳极,以复合氧化物SnO2-AB2O4为陶瓷相基体,Ni-Cu合金为金属相基体,分别掺杂以不同含量的氧化物MxOy以及分散剂和粘结剂,经冷压-烧结法制备的金属陶瓷惰性阳极。其特征在于:
①制备金属陶瓷惰性阳极用SnO2-AB2O4-MxOy陶瓷粉体的原料配方(以质量百分含量计):0.01~100%SnO2、0~99%AB2O4、0~30%MxOy。AB2O4为具有尖晶石结构的复合氧化物;其中
A可为Ni,Mg,Co,Zn,Cu,Li和Fe中的至少一种;
B可为Fe,Al,Co,Mn,Cr和Ge中的至少一种;
M为Cu,Ag,Pd,Pt,Au,Rh,Ru,Ir,Co,Ni,Fe,Al,Sn,Nb,Ta,Cr,Mo,W,Sb,V,Mb,Hf和稀土元素中的至少一种;
②制备金属陶瓷惰性阳极的原料配方(以质量百分含量计):陶瓷相为50~99%SnO2-AB2O4-MxOy陶瓷粉体,金属相为1~50%Ni-Cu-X合金粉末或相应含量的Ni,Cu和X的金属粉末;
其中
金属相各种组元的质量百分含量为:0.1~99.9%Ni,0.1~99.9%Cu,0~30%X;X为Co,Cr,Fe,Ag,Pt,Au中的至少一种;优选金属相中至少含有Ni、Cu;
③分散剂为水,酒精,苯邻二甲酸,油酸、氨盐溶液,聚丙烯酰胺溶液,鱼油,丁基邻苯二酸盐,聚丙烯酸酯,聚丙烯酸胺中的至少一种。
④粘结剂为聚乙烯醇,羧甲基纤维素,羟基丙基纤维素,丙烯树脂溶液,亚硫酸盐溶液,明胶,聚乙二醇,聚乙烯丁酯,聚乙烯乙酯,聚乙烯乙醇,聚丙烯酸中的至少一种。
2.熔盐电解用金属陶瓷惰性阳极制备方法,其特征在于:首先制备陶瓷粉体,将SnO2与AB2O4和MxOy的原料、分散剂按配比配料,球磨混料后煅烧5~15小时,煅烧温度为650~1350℃;其中AB2O4和MxOy的原料直接以相应元素A、B和M的氧化物形式加入,或者以相应元素的碳酸盐、硝酸盐或其他盐类形式加入,加入量分别以元素A、B和M的相应氧化物当量数计;
然后制备金属陶瓷惰性阳极,陶瓷相和金属相粉末原料按配比配料后,加入分散剂和粘结剂进行球磨混料,烘干脱除液体添加剂后,采用模压或浇注-冷等静压法在100~400MPa下成型得到金属陶瓷生坯,在1000~1500℃下并控制烧结气氛中的氧分压烧结生坯,得到金属陶瓷惰性阳极。
3.熔盐电解用SnO2-NiFe2O4/Ni-Cu-Co金属陶瓷惰性阳极,其特征在于:
①陶瓷粉体的原料配方为:
表1 金属陶瓷惰性阳极用SnO2-NiFe2O4陶瓷粉体的原料配方实例
原料
质量百分含量(%)
SnO2
50.00
F2O3
36.58
NiO
13.42
②金属陶瓷惰性阳极的原料配方为:
表2 SnO2-NiFe2O4/Cu-Ni-Co金属陶瓷惰性阳极的原料配方实例
原料
质量百分含量(%)
NiFe2O4-SnO2陶瓷粉体
90
80Ni-10Cu-10Co合金粉末
10
4.根据权利要求3所述的熔盐电解用SnO2-NiFe2O4/Ni-Cu-Co金属陶瓷惰性阳极的制备方法,其特征在于:①制备陶瓷粉体,将表1中的原料加入作为分散剂的工业酒精,球磨处理8小时,1200℃下煅烧8小时,得到平均粒径为3.31μm的陶瓷粉体;
②制备金属陶瓷惰性阳极,将表2中的原料以工业酒精为分散剂,聚乙烯醇为粘结剂,球磨处理8小时后,80℃下烘干,得到平均粒径为3.42μm的金属-陶瓷混合粉体;在250MPa下将混合粉体模压成型,得到金属陶瓷生坯,将所得生坯;在1250℃下烧结4小时,烧结过程中根据温度的变化调整烧结气氛中的氧分压;冷却后得到相对密度为92.5%,具有目标物相组成且金属相分布均匀的SnO2-NiFe2O4/Ni-Cu-Co金属陶瓷惰性阳极。
5.熔盐电解用SnO2-NiFe2O4-Sb2O3/Ni-Cu-Cr金属陶瓷惰性阳极,其特征在于:
①陶瓷粉体的原料配方为:
表3 金属陶瓷惰性阳极用SnO2-NiFe2O4-Sb2O3陶瓷粉体的原料配方实例
原料
质量百分含量(%)
SnO2
48.00
F2O3
36.58
NiO
13.42
Sb2O3
2.00
②金属陶瓷惰性阳极的原料配方为:
表4 SnO2-NiFe2O4-Sb2O3/Ni-Cu-Cr金属陶瓷惰性阳极的原料配方实例
原料
质量百分含量(%)
SnO2-NiFe2O4-Sb2O3陶瓷粉体
90
85Ni-10Cu-5Cr合金粉末
10
6.根据权利要求5熔盐电解用SnO2-NiFe2O4-Sb2O3/Ni-Cu-Cr金属陶瓷惰性阳极的制备方法,其特征在于:
①制备陶瓷粉体,将表3中的原料以工业酒精为分散剂,球磨处理8小时,1200℃下煅烧8小时,得到平均粒径为3.11μm的陶瓷粉体;
②制备金属陶瓷惰性阳极,将表4中的原料以工业酒精为分散剂,聚乙烯醇为粘结剂,球磨处理8小时后,80℃下烘干,得到平均粒径为3.45μm的金属-陶瓷混合粉体;在250MPa下将混合粉体模压成型得到金属陶瓷生坯。将所得生坯在1350℃下烧结4小时,烧结过程中根据温度的变化调整烧结气氛中的氧分压;冷却后得到相对密度为95.5%,具有目标物相组成且金属相分布均匀的SnO2-NiFe2O4-Sb2O3/Ni-Cu-Cr金属陶瓷惰性阳极材料。
7.熔盐电解用SnO2-NiAl2O4-CuO/Ni-Cu-Ag金属陶瓷惰性阳极,其特征在于:
①陶瓷粉体的原料配方为:
表5 金属陶瓷惰性阳极用SnO2-NiAl2O4-CuO陶瓷粉体的原料配方实例
原料
质量百分含量(%)
SnO2
50.00
Al2O3
27.71
NiO
20.29
CuO
2.00
②金属陶瓷惰性阳极的原料配方为:
表6 SnO2-NiAl2O4-CuO/Ni-Cu-Ag金属陶瓷惰性阳极的原料配方实例
原料
质量百分含量(%)
SnO2-NiAl2O4-CuO
90
65Ni-30Cu-5Ag合金粉末
10
8.根据权利要求7熔盐电解用SnO2-NiAl2O4-CuO/Ni-Cu-Ag金属陶瓷惰性阳极的制备方法,其特征在于:
①制备陶瓷粉体,将表5中的原料以工业酒精为分散剂,球磨处理8小时,1300℃下煅烧8小时,得到4.11μm的陶瓷粉体;②制备金属陶瓷惰性阳极,将表6中的原料以工业酒精为分散剂,聚乙烯醇为粘结剂,球磨处理8小时后,80℃下烘干,得到平均粒径为3.68μm的金属-陶瓷混合粉体;在200MPa下将混合粉体模压成型得到金属陶瓷生坯;将所得生坯在1350℃下烧结4小时,烧结过程中根据温度的变化调整烧结气氛中的氧分压;冷却后得到相对密度为97.12%,具有目标物相组成且金属相分布均匀的SnO2-NiAl2O4-CuO/Ni-Cu-Ag金属陶瓷惰性阳极材料。
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