Cu2O-Cu金屬陶瓷制備及組織性能研究.pdf

1、本文以鋁電解用惰性陽極材料為主要應(yīng)用背景，提出了新的Cu2O-Cu金屬陶瓷材料體系，設(shè)計(jì)和制備了含有不同形貌和尺寸Cu顆粒的Cu2O-Cu金屬陶瓷。利用X射線衍射儀(XRD)、光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)等手段分析和觀察了Cu2O-Cu金屬陶瓷及其腐蝕產(chǎn)物的相組成和微觀組織特征。利用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)、熱膨脹分析儀、熱導(dǎo)率測試儀和電導(dǎo)率測試儀等設(shè)備測試了Cu2O-Cu金屬陶瓷的力學(xué)性能和物理性能，采用熱腐蝕方法考察了Cu2O-

2、Cu金屬陶瓷在鋁電解熔鹽中的耐腐蝕性能，系統(tǒng)地研究了Cu含量、顆粒形貌及尺寸對Cu2O-Cu金屬陶瓷宏觀性能的影響規(guī)律，并分析了其影響機(jī)理，為惰性陽極材料以及雙相復(fù)合材料的研究提供了一定的理論依據(jù)。
　　研究表明，通過選擇合理的工藝參數(shù)可以獲得所設(shè)計(jì)的Cu2O-Cu金屬陶瓷。金屬陶瓷中的真實(shí) Cu含量與名義 Cu含量一致，枝狀 Cu粉制備的 ZR體系試樣中Cu顆粒為具有較大長寬比和形狀因子的蠕蟲狀形貌。球形Cu粉制備的QR200、

3、QR300和QR400體系試樣中的Cu顆?；緸榍蛐涡蚊?。在不同體系試樣中，Cu2O晶?；径汲实容S狀，其晶粒尺寸受引入基體中的Cu含量及顆粒尺寸影響。
　　Cu2O-Cu金屬陶瓷的彈性模量、強(qiáng)度和韌性均隨著材料中 Cu含量的增加而增大。在相同Cu含量條件下，Cu顆粒的形狀因子越大、尺寸越小，金屬陶瓷的彈性模量越高且強(qiáng)韌化效果越好。Cu2O-Cu金屬陶瓷熱震后的剩余彎曲強(qiáng)度隨熱震溫差的增大呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢。在相同溫差熱震后的

4、試樣剩余彎曲強(qiáng)度隨著材料中Cu含量的增加而增大。在Cu含量相同條件下， Cu顆粒的形狀因子越大、尺寸越小，試樣熱震后的剩余彎曲強(qiáng)度越高。
　　Cu2O-Cu金屬陶瓷的電導(dǎo)率隨著 Cu含量的增加呈現(xiàn)典型的滲流導(dǎo)電行為，其變化規(guī)律可用有效介質(zhì)普適方程(GEM方程)來描述，發(fā)生滲流導(dǎo)通后，試樣的電導(dǎo)率可達(dá)到104~106?-1·m-1數(shù)量級。Cu顆粒形貌對材料滲流閾值的影響較大，高形狀因子的Cu顆?？梢允乖嚇釉谳^低Cu含量下形成滲流導(dǎo)通

5、結(jié)構(gòu)；Cu顆粒尺寸對材料滲流閾值的影響不大，材料的導(dǎo)通滲流閾值隨著Cu顆粒尺寸的減小而略有降低。Cu2O-Cu金屬陶瓷在不同Cu含量下對應(yīng)不同的導(dǎo)電機(jī)制。
　　Cu2O-Cu金屬陶瓷的熱膨脹系數(shù)隨著溫度的升高而增大，其變化過程與材料中的熱應(yīng)力狀態(tài)和釋放機(jī)理密切相關(guān)。在相同溫度條件下，Cu含量越高、顆粒形狀因子越大，金屬陶瓷的熱膨脹系數(shù)越大。Cu顆粒尺寸對試樣熱膨脹系數(shù)的影響與Cu含量有關(guān)。
　　Cu含量和顆粒形貌對Cu2O-

6、Cu金屬陶瓷的熱導(dǎo)率影響顯著。材料中Cu含量越高、顆粒形狀因子越大，金屬陶瓷的熱導(dǎo)率越高。Cu顆粒尺寸對試樣熱導(dǎo)率的影響程度取決于材料中的Cu含量，當(dāng)Cu含量較低時(shí)，顆粒尺寸對金屬陶瓷的熱導(dǎo)率影響較小，而當(dāng)Cu含量較高時(shí)，小尺寸Cu顆?？梢允菇饘偬沾色@得較高的熱導(dǎo)率。
　　在鋁電解熔鹽腐蝕過程中，Cu2O-Cu金屬陶瓷在表面形成 CuAlO2保護(hù)層，從而降低了其腐蝕速率。材料中 Cu含量越高、顆粒形狀因子越大、尺寸越小，金屬陶瓷的