梁玉冬等：Fe-TB,/Al,O,复合阴极的电解性能及元素迁移行为 ·1047· 装入刚玉坩埚中，用粉料填埋，置于真空烧结炉内在 热电偶 1500℃下烧结75min制得Fe-TiB,复合阴极. 一盖板 阴极导杆 L.L.3Fe-TiB2/Al2O3复合阴极的制备 阳极导杆 加热炉 将TiB,粉、Fe粉、氧化铝溶胶按照质量比85：5： 氧化铝坩埚 10充分混合，按照1.1.2中的制备方法在1500℃烧 电解质 结制得Fe-TB,/AL,O,复合阴极.烧结后试样的微 阴极 阴极 阳极 观组织形貌及微区元素分析在JSM6360LV型扫描 电子显微镜上进行 1.2电解性能测试 图1电解实验装置示意图 电解实验采用NaF-KF-AIF,低温电解质体系， Fig.I Schematic of the aluminum electrolysis test NaF与KF的摩尔数之和与AlF,的摩尔数的比为 色的A山，0，黏结相弥散分布在一起，分布较为均匀， 1.42,电解温度为800~820℃，氧化铝质量占电解 这与文献报道相一致[.单一的金属相虽然对 质质量的5%，阳极电流密度为0.667A·cm-2,电解 TB,基体材料具有一定的黏结效果，但是由于其需 实验装置示意图如图1所示，电解后收集电解质中 要在高温下小范围形成液相再通过基体之间的孔隙 的铝球，除去表面电解质，称取铝产品质量，由下式 进行填充，黏结效果有限.而加入了氧化铝溶胶后， 计算电流效率： 在生坯混料环节中，F金属会随着氧化铝溶胶与 W TB,基体材料充分混合，形成一次填充：而后在高温 CE=0.3356h ×100% (1) 烧结下，F金属会形成液相在毛细管力下对基体材 式中，CE为电流效率，W为电解实验中实际产铝 料的孔隙再次填充，形成二次填充.经过两次填充 量，0.3356为铝的电化学当量，1为电解电流，t为电 作用之后，金属相在Fe-TB2/AL2O3复合阴极材料中 解时间，并用电感耦合等离子光谱仪(ICP-OES)分 的分布要优于Fe-TiB,复合阴极材料，这一点从其 析铝液中的杂质含量. 孔隙分布就可看出，Fe-TiB2/A山2O3复合材料中的闭 2结果与分析 口孔隙主要以个别独立的闭口孔隙为主，贯通型孔 隙明显少于Fe-TiB,复合材料. 2.1试样烧结微观组织分析 表1是运用蜡浸法(ASTMC373-88(1999))测 图2(a)为Fe-TiB,复合阴极材料烧结后微观组 定的两种复合阴极材料的相对密度值，并与文献 织形貌，可以看到在1500℃烧结出的复合阴极材料 [12]中所制备的TiB,/AL,0,复合材料进行对比.可 试样中，浅色的Fe合金相并没有完全弥散的分布在 以看到，如果仅加入Fe金属作为烧结助剂，烧结之 基体之间的孔隙中，在局部位置出现了小范围的团 后的相对密度值较文献[12]所记载的TB,/A山203 聚现象：试样中存在着大量的开口孔隙和闭口孔隙， 复合材料低1.34%.而同时加入氧化铝溶胶作为黏 而且两种孔隙形态相互连通，形成贯通型孔隙形态. 结剂后，相对密度值可以达到94.17%.较TB,/A山2 图2(b)为Fe-TiB2/A山，O3复合阴极材料烧结后微观 03复合材料高1.73%，相对于Fe-TiB,复合阴极提 组织形貌，白色的Fe合金相、灰色的TiB,陶瓷相、黑 高了3.07%. a (b) 图2两种复合阴极烧结样品微观组织形貌图.(a)Fe-TB2;(b)Fc-TB2/ALO Fig.2 Microstructure of the two composite cathode sintered samples:(a)Fe-TiB2;(b)Fe-TiB2/Al2O;梁玉冬等: Fe鄄鄄TiB2 / Al 2O3复合阴极的电解性能及元素迁移行为 装入刚玉坩埚中,用粉料填埋,置于真空烧结炉内在 1500 益下烧结 75 min 制得 Fe鄄鄄TiB2复合阴极. 1郾 1郾 3 Fe鄄鄄TiB2 / Al 2O3复合阴极的制备 将 TiB2粉、Fe 粉、氧化铝溶胶按照质量比 85颐 5颐 10 充分混合,按照 1郾 1郾 2 中的制备方法在 1500 益烧 结制得 Fe鄄鄄 TiB2 / Al 2O3复合阴极. 烧结后试样的微 观组织形貌及微区元素分析在 JSM6360LV 型扫描 电子显微镜上进行. 1郾 2 电解性能测试 电解实验采用 NaF鄄鄄KF鄄鄄AlF3低温电解质体系, NaF 与 KF 的摩尔数之和与 AlF3 的摩尔数的比为 1郾 42,电解温度为 800 ~ 820 益 ,氧化铝质量占电解 质质量的 5% ,阳极电流密度为 0郾 667 A·cm - 2 ,电解 实验装置示意图如图 1 所示,电解后收集电解质中 的铝球,除去表面电解质,称取铝产品质量,由下式 计算电流效率: CE = Wact 0郾 3356It 伊 100% (1) 式中,CE 为电流效率,Wact 为电解实验中实际产铝 量,0郾 3356 为铝的电化学当量,I 为电解电流,t 为电 解时间,并用电感耦合等离子光谱仪( ICP鄄鄄 OES)分 析铝液中的杂质含量. 图 2 两种复合阴极烧结样品微观组织形貌图 郾 (a) Fe鄄鄄TiB2 ; (b) Fe鄄鄄TiB2 / Al2O3 Fig. 2 Microstructure of the two composite cathode sintered samples: (a) Fe鄄鄄TiB2 ; (b) Fe鄄鄄TiB2 / Al2O3 2 结果与分析 2郾 1 试样烧结微观组织分析 图 2(a)为 Fe鄄鄄TiB2复合阴极材料烧结后微观组 织形貌,可以看到在 1500 益烧结出的复合阴极材料 试样中,浅色的 Fe 合金相并没有完全弥散的分布在 基体之间的孔隙中,在局部位置出现了小范围的团 聚现象;试样中存在着大量的开口孔隙和闭口孔隙, 而且两种孔隙形态相互连通,形成贯通型孔隙形态. 图 2(b)为 Fe鄄鄄TiB2 / Al 2O3复合阴极材料烧结后微观 组织形貌,白色的 Fe 合金相、灰色的 TiB2陶瓷相、黑 图 1 电解实验装置示意图 Fig. 1 Schematic of the aluminum electrolysis test 色的 Al 2O3黏结相弥散分布在一起,分布较为均匀, 这与文献报道相一致[12] . 单一的金属相虽然对 TiB2基体材料具有一定的黏结效果,但是由于其需 要在高温下小范围形成液相再通过基体之间的孔隙 进行填充,黏结效果有限. 而加入了氧化铝溶胶后, 在生坯混料环节中,Fe 金属会随着氧化铝溶胶与 TiB2基体材料充分混合,形成一次填充;而后在高温 烧结下,Fe 金属会形成液相在毛细管力下对基体材 料的孔隙再次填充,形成二次填充. 经过两次填充 作用之后,金属相在 Fe鄄鄄TiB2 / Al 2O3复合阴极材料中 的分布要优于 Fe鄄鄄 TiB2复合阴极材料,这一点从其 孔隙分布就可看出,Fe鄄鄄 TiB2 / Al 2O3复合材料中的闭 口孔隙主要以个别独立的闭口孔隙为主,贯通型孔 隙明显少于 Fe鄄鄄TiB2复合材料. 表 1 是运用蜡浸法(ASTMC373鄄鄄 88(1999))测 定的两种复合阴极材料的相对密度值,并与文献 [12]中所制备的 TiB2 / Al 2O3复合材料进行对比. 可 以看到,如果仅加入 Fe 金属作为烧结助剂,烧结之 后的相对密度值较文献[12] 所记载的 TiB2 / Al 2 O3 复合材料低 1郾 34% . 而同时加入氧化铝溶胶作为黏 结剂后,相对密度值可以达到 94郾 17% . 较 TiB2 / Al 2 O3复合材料高 1郾 73% ,相对于 Fe鄄鄄 TiB2复合阴极提 高了 3郾 07% . ·1047·