Cu2O-Cu金属陶瓷制备及组织性能研究

论文摘要

本文以铝电解用惰性阳极材料为主要应用背景,提出了新的Cu2O-Cu金属陶瓷材料体系,设计和制备了含有不同形貌和尺寸Cu颗粒的Cu2O-Cu金属陶瓷。利用X射线衍射仪（XRD）、光学显微镜（OM）和扫描电镜（SEM）等手段分析和观察了Cu2O-Cu金属陶瓷及其腐蚀产物的相组成和微观组织特征。利用电子万能材料试验机、热膨胀分析仪、热导率测试仪和电导率测试仪等设备测试了Cu2O-Cu金属陶瓷的力学性能和物理性能,采用热腐蚀方法考察了Cu2O-Cu金属陶瓷在铝电解熔盐中的耐腐蚀性能,系统地研究了Cu含量、颗粒形貌及尺寸对Cu2O-Cu金属陶瓷宏观性能的影响规律,并分析了其影响机理,为惰性阳极材料以及双相复合材料的研究提供了一定的理论依据。研究表明,通过选择合理的工艺参数可以获得所设计的Cu2O-Cu金属陶瓷。金属陶瓷中的真实Cu含量与名义Cu含量一致,枝状Cu粉制备的ZR体系试样中Cu颗粒为具有较大长宽比和形状因子的蠕虫状形貌。球形Cu粉制备的QR200、QR300和QR400体系试样中的Cu颗粒基本为球形形貌。在不同体系试样中,Cu2O晶粒基本都呈等轴状,其晶粒尺寸受引入基体中的Cu含量及颗粒尺寸影响。Cu2O-Cu金属陶瓷的弹性模量、强度和韧性均随着材料中Cu含量的增加而增大。在相同Cu含量条件下,Cu颗粒的形状因子越大、尺寸越小,金属陶瓷的弹性模量越高且强韧化效果越好。Cu2O-Cu金属陶瓷热震后的剩余弯曲强度随热震温差的增大呈现先下降后增加的趋势。在相同温差热震后的试样剩余弯曲强度随着材料中Cu含量的增加而增大。在Cu含量相同条件下,Cu颗粒的形状因子越大、尺寸越小,试样热震后的剩余弯曲强度越高。Cu2O-Cu金属陶瓷的电导率随着Cu含量的增加呈现典型的渗流导电行为,其变化规律可用有效介质普适方程（GEM方程）来描述,发生渗流导通后,试样的电导率可达到104106Ω-1·m-1数量级。Cu颗粒形貌对材料渗流阈值的影响较大,高形状因子的Cu颗粒可以使试样在较低Cu含量下形成渗流导通结构;Cu颗粒尺寸对材料渗流阈值的影响不大,材料的导通渗流阈值随着Cu颗粒尺寸的减小而略有降低。Cu2O-Cu金属陶瓷在不同Cu含量下对应不同的导电机制。Cu2O-Cu金属陶瓷的热膨胀系数随着温度的升高而增大,其变化过程与材料中的热应力状态和释放机理密切相关。在相同温度条件下,Cu含量越高、颗粒形状因子越大,金属陶瓷的热膨胀系数越大。Cu颗粒尺寸对试样热膨胀系数的影响与Cu含量有关。Cu含量和颗粒形貌对Cu2O-Cu金属陶瓷的热导率影响显著。材料中Cu含量越高、颗粒形状因子越大,金属陶瓷的热导率越高。Cu颗粒尺寸对试样热导率的影响程度取决于材料中的Cu含量,当Cu含量较低时,颗粒尺寸对金属陶瓷的热导率影响较小,而当Cu含量较高时,小尺寸Cu颗粒可以使金属陶瓷获得较高的热导率。在铝电解熔盐腐蚀过程中,Cu2O-Cu金属陶瓷在表面形成CuAlO2保护层,从而降低了其腐蚀速率。材料中Cu含量越高、颗粒形状因子越大、尺寸越小,金属陶瓷的腐蚀速率越大。Cu2O-Cu金属陶瓷在熔盐中的腐蚀机理主要为金属陶瓷组分的溶解、Cu2O与Al2O3的化学反应以及金属Cu的物理迁移。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 引言

1.2 惰性阳极概念的引入

1.2.1 碳阳极的缺点

1.2.2 惰性阳极的优点

1.2.3 对惰性阳极材料的要求

1.3 惰性阳极材料的研究现状

1.3.1 氧化物阳极

1.3.2 金属阳极

1.3.3 金属陶瓷阳极

1.3.4 惰性阳极材料研究存在的不足

1.4 金属陶瓷材料的研究现状

1.4.1 力学性能

1.4.2 热膨胀性能

1.4.3 热导率

1.4.4 导电性能

1.4.5 腐蚀性能

1.5 本文的主要研究内容

第2章试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 金属陶瓷的制备方法

2.2.1 热压烧结法

2.2.2 原位还原-热压烧结法

2.3 材料基本性能测试方法

2.3.1 密度测量

2.3.2 压缩强度测量

2.3.3 抗弯强度和弹性模量测量

2.3.4 断裂韧性测量

2.3.5 抗热震性能试验

2.4 材料物理性能测试方法

2.4.1 热膨胀系数及热导率测量

2.4.2 电阻率和伏安曲线测量

2.5 材料腐蚀性能测试方法

2.6 材料的组织结构分析

2O-Cu 金属陶瓷的制备及组织表征'>第3章 Cu₂O-Cu 金属陶瓷的制备及组织表征

3.1 引言

2O-Cu 金属陶瓷热压烧结工艺研究'>3.2 Cu₂O-Cu 金属陶瓷热压烧结工艺研究

3.2.1 混粉工艺的研究

3.2.2 烧结温度的影响

3.2.3 热压压力的影响

3.2.4 热压致密化过程分析

2O-Cu 金属陶瓷原位还原-热压烧结工艺研究'>3.3 Cu₂O-Cu 金属陶瓷原位还原-热压烧结工艺研究

2O 还原过程分析'>3.3.1 Cu₂O 还原过程分析

3.3.2 试样的制备

3.4 金相组织观察及表征

3.4.1 枝状Cu 粉制备金属陶瓷金相组织观察

3.4.2 球形Cu 粉制备金属陶瓷金相组织观察

3.4.3 原位还原-热压工艺制备金属陶瓷金相组织观察

2O-Cu 金属陶瓷微观组织表征'>3.4.4 Cu₂O-Cu 金属陶瓷微观组织表征

3.5 本章小结

2O-Cu 金属陶瓷力学性能研究'>第4章 Cu₂O-Cu 金属陶瓷力学性能研究

4.1 引言

2O-Cu 金属陶瓷弹性模量的影响'>4.2 Cu 对Cu₂O-Cu 金属陶瓷弹性模量的影响

4.2.1 Cu 含量的影响

4.2.2 Cu 颗粒形貌的影响

4.2.3 Cu 颗粒尺寸的影响

2O-Cu 金属陶瓷强度与韧性的影响'>4.3 Cu 对Cu₂O-Cu 金属陶瓷强度与韧性的影响

4.3.1 Cu 含量的影响

4.3.2 Cu 颗粒形貌的影响

4.3.3 Cu 颗粒尺寸的影响

2O-Cu 金属陶瓷的强韧化机理'>4.4 Cu₂O-Cu 金属陶瓷的强韧化机理

2O-Cu 金属陶瓷抗热震性能的影响'>4.5 Cu 对Cu₂O-Cu 金属陶瓷抗热震性能的影响

4.5.1 Cu 含量的影响

4.5.2 Cu 颗粒形貌的影响

4.5.3 Cu 颗粒尺寸的影响

4.5.4 热震微裂纹的形成机理

4.6 本章小结

2O-Cu 金属陶瓷物理性能研究'>第5章 Cu₂O-Cu 金属陶瓷物理性能研究

5.1 引言

2O-Cu 金属陶瓷导电性能研究'>5.2 Cu₂O-Cu 金属陶瓷导电性能研究

2O-Cu 金属陶瓷的渗流导电行为'>5.2.1 Cu₂O-Cu 金属陶瓷的渗流导电行为

2O-Cu 金属陶瓷渗流阈值的影响'>5.2.2 导电相结构对Cu₂O-Cu 金属陶瓷渗流阈值的影响

2O-Cu 金属陶瓷的直流电导率'>5.2.3 Cu₂O-Cu 金属陶瓷的直流电导率

2O-Cu 金属陶瓷的电阻温度特性'>5.2.4 Cu₂O-Cu 金属陶瓷的电阻温度特性

2O-Cu 金属陶瓷的伏安特性'>5.2.5 Cu₂O-Cu 金属陶瓷的伏安特性

2O-Cu 金属陶瓷的导电机理'>5.2.6 Cu₂O-Cu 金属陶瓷的导电机理

2O-Cu 金属陶瓷热膨胀行为的影响'>5.3 Cu 对Cu₂O-Cu 金属陶瓷热膨胀行为的影响

5.3.1 Cu 含量的影响

5.3.2 Cu 颗粒形貌的影响

5.3.3 Cu 颗粒尺寸的影响

2O-Cu 金属陶瓷的热膨胀机理'>5.3.4 Cu₂O-Cu 金属陶瓷的热膨胀机理

2O-Cu 金属陶瓷热导率的影响'>5.4 Cu 对Cu₂O-Cu 金属陶瓷热导率的影响

5.4.1 Cu 含量的影响

5.4.2 Cu 颗粒形貌的影响

5.4.3 Cu 颗粒尺寸的影响

5.5 本章小结

2O-Cu 金属陶瓷腐蚀性能研究'>第6章 Cu₂O-Cu 金属陶瓷腐蚀性能研究

6.1 引言

2O-Cu 金属陶瓷腐蚀行为研究'>6.2 Cu₂O-Cu 金属陶瓷腐蚀行为研究

6.2.1 腐蚀时间对试样腐蚀的影响

6.2.2 Cu 含量对试样腐蚀的影响

6.2.3 Cu 颗粒形貌对试样腐蚀的影响

6.2.4 Cu 颗粒尺寸对试样腐蚀的影响

2O-Cu 金属陶瓷热腐蚀过程探讨'>6.3 Cu₂O-Cu 金属陶瓷热腐蚀过程探讨

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

致谢

个人简历

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