纖維增強(qiáng)NiFe-,2-O-,4-基陽極材料的制備及性能研究.pdf

1、目前，NiFe2O4尖晶石作為陽極材料使用中主要存在兩個(gè)問題：一是其抗熱震性能較差，使陽極腐蝕速率增加，影響陽極的使用壽命；二是NiFe2O4尖晶石具有較低的強(qiáng)度和韌性，使得陽極試樣在搬運(yùn)和與導(dǎo)電桿的連接過程中容易碎裂。針對這些問題，本文研究了用SiC晶須、SiC纖維增強(qiáng)的NiFe2O4基復(fù)合材料惰性陽極的制備。 本文首先以NiO和Fe2O3原料合成NiFe2O4尖晶石，然后在NiFe2O4尖晶石中添加SiC晶須、SiC纖維制備

2、復(fù)合材料惰性陽極。合成NiFe2O4尖晶石基料的燒結(jié)溫度為900℃，燒結(jié)時(shí)間為6小時(shí)。 本文首次研究了添加SiC晶須制備SiCw/NiFe2O4陶瓷復(fù)合材料。熱力學(xué)計(jì)算和物相分析結(jié)果表明，在低于1200℃時(shí)NiFe2O4與SiCw是相容的。由試驗(yàn)確定，制備SiCw/NiFe2O4復(fù)合材料合適的燒結(jié)工藝為1180℃、恒溫6小時(shí)。材料力學(xué)性能的檢測結(jié)果表明，含3％SiC晶須時(shí)復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度比NiFe2O4材料提高200％，說明S

3、iC晶須的添加起到了良好的補(bǔ)強(qiáng)效果。加入SiC晶須后抗熱震性有所下降，SiC晶須含量為3％時(shí)試樣的抗折強(qiáng)度保持率下降了14％。抗熱震性的降低與SiCw/NiFe2O4復(fù)合材料的界面結(jié)合狀態(tài)密切相關(guān)，熱力學(xué)計(jì)算和XRD分析表明，在SiCw/NiFe2O4界面結(jié)合處生成了硅酸鹽化合物2FeO·SiO2。2FeO·SiO2的熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化而變化，在溫度的驟變過程中使得復(fù)合材料的界面首先開裂，導(dǎo)致抗熱震性降低。 試驗(yàn)結(jié)果表明，N

4、iFe2O4基體中加入SiC晶須后，顯著提高了試樣抗沖擊性能，含2％SiC晶須試樣的沖擊韌性比尖晶石提高了近70％，添加SiC晶須后即為引入了附加的能量吸收方式。SiC晶須的增韌屬于多種增韌機(jī)理的協(xié)同作用，由于復(fù)合材料形成了較強(qiáng)的界面結(jié)合，晶須拔出對增韌效果的貢獻(xiàn)較少而微裂紋增韌和裂紋的偏轉(zhuǎn)對增韌效果的貢獻(xiàn)較大。當(dāng)SiC晶須含量為3％時(shí)復(fù)合材料的密度最大，結(jié)構(gòu)最均勻，綜合性能最好。 ⅡNiFe2O4基體中加入SiC纖維后顯著提高

5、了試樣抗沖擊性能，沖擊斷口有明顯的纖維脫粘及拔出現(xiàn)象，其增強(qiáng)機(jī)理為纖維的脫粘和拔出效應(yīng)。SiC纖維的加入使試樣的抗折強(qiáng)度略有上升，但當(dāng)加入量超過1％時(shí)，強(qiáng)度則表現(xiàn)出下降趨勢。添加SiC纖維能夠顯著提高試樣的抗熱震性，殘余抗折強(qiáng)度保持率隨著纖維添加量的增加顯著上升。界面的分析結(jié)果表明，復(fù)合材料界面是纖維與基體之間形成的互擴(kuò)散層，界面結(jié)合牢固，使復(fù)合材料力學(xué)性能提高。 聯(lián)合添加SiC晶須、SiC纖維制備SiC(w,f)/NiFe2O

6、4復(fù)合材料，試驗(yàn)結(jié)果表明，添加2％SiC晶須、1％SiC纖維試樣的綜合性能最好。SiC(w,f)/NiFe2O4復(fù)合材料導(dǎo)電能力明顯高于純NiFe2O4試樣，960℃的導(dǎo)電率為4.06Ω-1cm-1，是純NiFe2O4試樣的8倍左右。SiC(w,f)/NiFe2O4復(fù)合材料的導(dǎo)電能力提高的原因是由于電子的穿透效應(yīng)，電子躍遷理論和NiFe2O4尖晶石屬于高溫半導(dǎo)體解釋了試樣的導(dǎo)電率隨溫度升高顯著升高的原因。 制備SiC(w,f)增

7、強(qiáng)的Ag/NiFe2O4金屬陶瓷復(fù)合材料。試驗(yàn)結(jié)果表明，向NiFe2O4基體材料中聯(lián)合添加2％SiCw、1％SiCf、10％Ag制備的陽極試樣綜合性能最佳。其密度為5.18g/cm3，抗折強(qiáng)度為85.71Mpa，抗折強(qiáng)度保持率為91.8％，沖擊韌性為4.60J/cm2，960℃電導(dǎo)率達(dá)到了10.869Ω-1cm-1。 電解試驗(yàn)結(jié)果表明，陽極試樣在熔鹽中未發(fā)生明顯腐蝕，試樣外形尺寸變化較小，表面未出現(xiàn)裂紋，陽極試樣的腐蝕速率為0.