基于硼势调控的Ti基TiB2/TiB渗层可润湿性阴极的形成机制与可控制备

Wettable cathode materials are the key ones to design new drained aluminum electrolysis cells so that “the second revolution” of aluminum electrolysis technology can be achieved. The wettability, conductivity and toughness properties of the cathode material are difficult to collaborate effectively, which has restricted the industrial application of the wettable cathode..The project puts forward an idea to prepare TiB2/TiB-Ti wettable cathode by electrochemical boriding of titanium, and makes full use of high wettability, high conductivity, high strength and toughness, and easy to connect with the base of TiB2/TiB-Ti layer structure, to avoid many of the shortcomings of traditional TiB2 cathode. The project intends to carry out the formation mechanism of the Ti based TiB2/TiB layer, B atom diffusion behavior and microstructural evolution Behavior. And according to poor controllability of layer thickness and microstructure, the project originally puts forward an idea to prepare TiB2/TiB-Ti wettable cathode by electrochemical boriding of titanium under boron potential regulatory, and establishs the relationship among B potential - B atom diffusion behavior - structure. Ultimately, the in-situ controlled preparation method of TiB2/TiB layer wettable cathode would be provided. The project will not only enrich and develop the boronizing theory, but also provide theory and technical support for construction of the new drained aluminum electrolysis cells. Above all, it will lay a solid foundation for China to occupy the commanding height of the international aluminum electrolysis technology.

可润湿性阴极是构建导流型铝电解槽，实现铝电解技术“二次革命”的关键材料。然而，当前可润湿性阴极材料存在其润湿性、导电性、强韧性等性能之间无法高度协同等难题，一直是制约可润湿性阴极工业应用的主要瓶颈。.本项目提出熔盐电解渗硼制备新型TiB2/TiB-Ti可润湿性阴极的思路，充分利用TiB2/TiB-Ti渗层结构的高润湿性、高导电性、高强韧性及与基体易连接等优点，避免传统TiB2阴极存在的诸多不足。本项目拟开展Ti基TiB2/TiB渗层的形成机制、B原子扩散行为与微结构演变行为研究。并针对渗层厚度与微结构可控性差等难题，创新性地提出硼势调控制备TiB2/TiB渗层的思想，建立B势-B原子扩散行为-渗层结构之间的关系，形成TiB2/TiB渗层可润湿性阴极的可控制备方法。本项目研究不仅丰富和发展渗硼理论，且为导流型铝电解槽的研发提供理论与技术支撑，为我国抢占国际铝电解技术制高点奠定坚实的基础。

可润湿性阴极是革新传统铝电解槽和实现大幅度节能降耗的关键材料。本项目针对当前研发的可润湿性阴极材料存在润湿性、导电性、强韧性等性能之间无法协同等难题，提出并研究了熔盐电解渗硼制备新型TiB2/TiB-Ti可润湿性阴极。通过本项目研究，明晰了恒电流条件下B的析出形式、渗层结构特征及生长作用机制，获得了硼势对渗层结构的影响规律，分析了TiB晶须的取向性，揭示了不同条件下B的扩散行为与渗层结构，揭示了钛基TiB2/TiB层微观结构及其厚度的主要影响因素，发现并揭示了钛的同素异构转变对渗层生长的影响规律，解析了TiB2渗层的生长动力学过程，构建了TiB2层厚度-时间-温度等高线图，开展了TiB2/TiB-Ti材料的综合性能评价与表征。.研究表明，熔盐电解渗硼实际上可分为两个过程，即单质B在阴极表面的析出过程和活性B原子在试样内热扩散的过程。当电流密度达到300mA/cm2时，活性B原子的析出速率高于B向基体内扩散的速率，TiB2/TiB层的生长受B在基体内的扩散动力学控制。TiB2层和TiB层厚度随着温度的升高而增加，在钛的相变线附近，存在“跳跃式”增长现象，且TiB层厚度的增大幅度明显大于TiB2层的增幅。TiB2层生长速率常数随着渗硼温度的升高有明显的增长，温度越高，呈现出指数关系增长；在1000℃、3h条件下，可以观察到异常粗壮的TiB晶须，其直径达到2.26μm，而一般情况下晶须直径不超过1μm。B在TiB晶须中优先扩散方向为[0 1 0]TiB，在该方向的扩散速率是其他横断方向的10倍。渗层的生长取决于B原子在相应物相中的扩散，渗硼过程可以视为非稳态扩散过程，B在TiB2中的扩散符合Fick第二定律。TiB2层厚度与渗硼时间的平方根√t基本符合线性关系。当渗硼电流密度为300mA•cm-2时，TiB2层厚度d、渗硼温度T和渗硼时间t之间遵循如下关系式：d=2.01×10^(-4)√(exp(-19535.72/T)t)。.通过本项目研究，进一步丰富和发展了熔盐电解渗硼技术，为渗层可润湿性阴极制备提供了新方法和新思路，为导流型铝电解槽开发打下了坚实的基础。