·1048. 工程科学学报，第41卷，第8期 表1三种材料的相对密度 6 Table 1 Relative density of the three materials 材料 相对密度/% Fe-TiB,/AL,03复合材料 94.21 Fe-TB2复合材料 91.14 文献[12]的TiB2/A203复合材料 92.48 2.2电解性能测试 图3是Fe-TiB,/AL,O,复合阴极20h的电解电 压曲线.整个电解过程电压相对稳定，这是获得较 8101214161820 高电流效率的基础. 运行时间h 图4(a)为Fe-TiB,/AL,0,复合阴极电解后的宏 图320A电解实验电压曲线 Fig.3 Voltage curve of the 20 A electrolysis experiment 观形貌图，可以看出，阴极在电解过程中，表面被一 层致密的铝液层所覆盖.阴极下部铝液层的厚度和 因向下部集聚，最后落入电解质中.在试验结束后， 致密度优于阴极上部，这是因为竖式排列的电解系 阴极上部由于铝液难以形成一定厚度的铝液层而较 统，铝液在阴极表面生成并不断增厚，由于重力的原 下部更为粗糙，导致电解质附着 (a) Icm 图4复合阴极电解实验后形貌图.(a)阴极表面宏观形貌：(b)试验所出铝块 Fig.4 Macroscopic pictures after the composite cathode electrolysis experiment:(a)macroscopic appearance of the cathode surface;(b)aluminum block from the test 本次试验出铝如图4(b),共计150.09g,计算 同)，取样点1中Fe元素的质量分数为34.67%，A1 电流效率为93.2%.铝品位为99.47%，杂质元素 元素质量分数为65.33%.取样点2中A1元素的质 质量分数为0.53%，Si元素质量分数为0.249%，可 量分数为100%. 能是由于在碳素坩埚内存在着少量的Si元素，Si元 本次试验所得原铝质量已经非常接近商业铝品 素杂质含量会随着电解实验的不断延长而逐渐降 质，同时，电解运行稳定，电流效率高.可以看出Fe- 低：Fe元素质量分数为0.281%，根据出铝量计算， TB,/A山，O,复合阴极具有很好的应用前景，可以作 原铝中含有Fe元素0.422g,铝中的Fe元素来源有 为可润湿性阴极进一步研究的重点 两个：一是由于导杆在电解质气氛下腐蚀掉落进人 2.3电解后阴极界面形貌及元素迁移行为 熔体中导致的，这部分Fe元素杂质可通过后期试验 在正常电解中，Al的析出电位比Na的析出电 优化电极组装方式而完全避免；二是由于阴极中的 位要高250mV左右，在初始电解期间，由于电解槽 Fe元素反向扩散至电解质中，随后进入铝液中，此 中较高的氧化铝浓度促使A!的析出电位下移，优先 部分Fe杂质可以通过优化材料烧结方式来改善. 在阴极表面析出，在阴极表面形成一层致密的铝液 图5为Fe-TB2/Al,O3复合阴极铝层微观组织图，可 层.而这层铝液的作用阻碍了Na在阴极表面的析 以看到，阴极表面被致密的铝所覆盖，说明Fe- 出，从而保证了电解的正常进行.在电解过程中，阴 TB2/A山，O3复合阴极材料能被铝液很好的润湿.对 极表面的铝液层不断动态变化，当厚度达到一定程 取样点进行能谱统计分析，图中红色十字交叉点为 度，铝液开始向下汇聚并掉落至电解质底部，由于铝 取样点，在取样点左侧的编号为取样点编号（下 液对碳素材料完全不润湿，试验结束后取出的固体工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 表 1 三种材料的相对密度 Table 1 Relative density of the three materials 材料 相对密度/ % Fe鄄鄄TiB2 / Al2O3复合材料 94郾 21 Fe鄄鄄TiB2复合材料 91郾 14 文献[12]的 TiB2 / Al2O3复合材料 92郾 48 2郾 2 电解性能测试 图 3 是 Fe鄄鄄TiB2 / Al 2O3复合阴极 20 h 的电解电 压曲线. 整个电解过程电压相对稳定,这是获得较 高电流效率的基础. 图 4(a)为 Fe鄄鄄TiB2 / Al 2O3复合阴极电解后的宏 观形貌图,可以看出,阴极在电解过程中,表面被一 层致密的铝液层所覆盖. 阴极下部铝液层的厚度和 致密度优于阴极上部,这是因为竖式排列的电解系 统,铝液在阴极表面生成并不断增厚,由于重力的原 图 3 20 A 电解实验电压曲线 Fig. 3 Voltage curve of the 20 A electrolysis experiment 因向下部集聚,最后落入电解质中. 在试验结束后, 阴极上部由于铝液难以形成一定厚度的铝液层而较 下部更为粗糙,导致电解质附着. 图 4 复合阴极电解实验后形貌图 郾 (a) 阴极表面宏观形貌; (b) 试验所出铝块 Fig. 4 Macroscopic pictures after the composite cathode electrolysis experiment: (a) macroscopic appearance of the cathode surface; (b) aluminum block from the test 本次试验出铝如图 4( b),共计 150郾 09 g,计算 电流效率为 93郾 2% . 铝品位为 99郾 47% ,杂质元素 质量分数为 0郾 53% ,Si 元素质量分数为 0郾 249% ,可 能是由于在碳素坩埚内存在着少量的 Si 元素,Si 元 素杂质含量会随着电解实验的不断延长而逐渐降 低;Fe 元素质量分数为 0郾 281% ,根据出铝量计算, 原铝中含有 Fe 元素 0郾 422 g,铝中的 Fe 元素来源有 两个:一是由于导杆在电解质气氛下腐蚀掉落进入 熔体中导致的,这部分 Fe 元素杂质可通过后期试验 优化电极组装方式而完全避免;二是由于阴极中的 Fe 元素反向扩散至电解质中,随后进入铝液中,此 部分 Fe 杂质可以通过优化材料烧结方式来改善. 图 5 为 Fe鄄鄄TiB2 / Al 2O3复合阴极铝层微观组织图,可 以看到, 阴极表面被致密的铝所覆盖, 说明 Fe鄄鄄 TiB2 / Al 2O3复合阴极材料能被铝液很好的润湿. 对 取样点进行能谱统计分析,图中红色十字交叉点为 取样点,在取样点左侧的编号为取样点编号( 下 同),取样点 1 中 Fe 元素的质量分数为 34郾 67% ,Al 元素质量分数为 65郾 33% . 取样点 2 中 Al 元素的质 量分数为 100% . 本次试验所得原铝质量已经非常接近商业铝品 质,同时,电解运行稳定,电流效率高. 可以看出 Fe鄄鄄 TiB2 / Al 2O3复合阴极具有很好的应用前景,可以作 为可润湿性阴极进一步研究的重点. 2郾 3 电解后阴极界面形貌及元素迁移行为 在正常电解中,Al 的析出电位比 Na 的析出电 位要高 250 mV 左右,在初始电解期间,由于电解槽 中较高的氧化铝浓度促使 Al 的析出电位下移,优先 在阴极表面析出,在阴极表面形成一层致密的铝液 层. 而这层铝液的作用阻碍了 Na 在阴极表面的析 出,从而保证了电解的正常进行. 在电解过程中,阴 极表面的铝液层不断动态变化,当厚度达到一定程 度,铝液开始向下汇聚并掉落至电解质底部,由于铝 液对碳素材料完全不润湿,试验结束后取出的固体 ·1048·