ZrO2(f)对铝电解惰性阳极增韧作用的研究

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传统铝电解由于采用消耗式炭素阳极而存在能耗高和环境污染严重等问题,这与当今社会发展低碳经济、促进可持续发展的经济主题相悖。新型铝电解技术惰性阳极的应用能克服以上问题,成为铝业界的研究热点。目前,作为最具工业化应用前景的惰性阳极材料,NiFe2O4基陶瓷材料具有优良的耐熔盐腐蚀性能,但因韧性和抗热震性能差而使其应用受到限制。本文通过向NiFe2O4基体中添加氧化锆短纤维(ZrO2(f)),以改善其韧性和抗热震性。为此,先对高温下氧化锆纤维(ZrO2(f))在NiFe2O4尖晶石中的稳定性进行考察,然后研究其对阳极材料性能的影响。  Y稳定的氧化锆纤维(ZrO2(f))具有优良的力学性能,且与NiFe2O4有良好的物理和化学相容性,1400℃的高温氧化性气氛下能在NiFe2O4尖晶石中稳定存在。为了制备性能良好的ZrO2(f)/NiFe2O4阳极材料,考察了制备条件对试样致密度和抗折强度的影响。实验发现,在160MPa下压制成型的坯体,经1300℃烧结6h后得到的复合阳极材料综合性能较好,气孔率约为5.50%,抗弯强度达89MPa。  随着ZrO2(f)添加量的增加,阳极试样的致密度略有下降,添加量过高时ZrO2(f)在尖晶石中分布不均的倾向变大,复合材料中缺陷增加。纤维添加量为3wt%的ZrO2(f)/NiFe2O4复合材料的力学性能最佳:抗折强度约为89MPa,断裂韧性达4.62MPa·m1/2,比未加纤维的分别提高了32.62%和80.47%;一次热震后的强度保持率从48.85%提高至75.86%。纤维的加入,增加了阳极材料在断裂时需要吸收的能量。ZrO2(f)的增韧属于多种增韧机理的协同作用,主要以拔出、桥联和诱导裂纹偏转等机制发挥强韧化作用。纤维的增韧效果与界面结合状态有关。ZrO2(f)与NiFe2O4尖晶石基体间结合紧密,但没有形成反应结合,避免了过强的界面结合力,有利于纤维补强增韧作用的充分发挥。
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