FFC法阴极TiO2中掺入TiO制备Ti的研究

摘要

金属钛作为一种银白色金属，其具有密度小、强度高、抗腐蚀能力强、抗疲劳等优越的性能。在船舶业、工业、航空航天业、医疗业等领域有着广泛的应用，是目前最具有发展前景的结构和功能材料。传统制备钛的Kroll法是当今生产海绵钛最主要的方法，然而其生产工艺复杂，生产周期长，不能连续化生产等一系列问题限制了其使用价值。2000年以来，国际上大量的研究者对钛的制备方法做了相关研究，掀起了一股研究热潮，其中最具发展前景的方法是直接电解还原TiO2制取Ti的FFC工艺。本文以FFC工艺为基础，通过向TiO2中掺入不同比例的TiO进行电解，从而考察了低温烧结对TiO2阴极微观结构以及电解产物的影响；分析了不同阴极构造对电解的影响从而确定适宜的电解条件；在分析CaTiO3形成原因及其对电解的影响基础之上研究了掺入TiO对CaTiO3的影响进而探究其对电解的影响；探究了掺杂不同含量TiO导致阴极片电导率、比表面积、孔隙率和微观形貌的变化；研究了掺杂不同比例TiO对电解还原的影响，寻找电解脱氧的最佳掺入TiO比例。
　　本研究主要内容包括：⑴为防止TiO在高温下发生氧化，需使TiO在低温下进行烧结，寻找到合适的烧结温度成为本实验的关键，本文研究了不同温度下烧结对TiO组成的影响，从而确定TiO被氧化温度为400℃左右。烧结温度对阴极片颗粒有一定的影响，随烧结温度的增加，颗粒团聚更为明显，导电率逐渐增大，有利于电子的传输。对比烧结前后阴极片的导电性，结合烧结能达到的最高温度确定了最佳烧结温度为300℃。⑵由于本实验采用300℃烧结使得烧结后阴极片强度不够高，必须采用阴极片载体加以支撑。本文分析了三种不同阴极载体(自制铜篮、钼篮、钛篮)对电解产物所产生的影响，发现利用铜丝编制而成的铜篮具有较强的传输电子能力，并对熔盐中离子的传输阻碍较弱，电解效果相对较好，因此选用铜篮作为实验阴极的支撑体。⑶对CaTiO3的形成加以分析，其主要形成来自于水解作用、温度作用和电子作用三种方式。由于形成的CaTiO3为块状固体，颗粒较大，电解初期阴极片表层产生的颗粒之间几乎呈无孔状态，使得各离子在阴极片内外的传输相对困难。因此， CaTiO3的形成对电解起阻碍作用。掺入TiO后，其能与CaTiO3直接化合形成CaTi2O4，此反应能缩短电解过程，减小CaTiO3的阻碍作用。⑷通过对掺入TiO为0％、5%、9%、17%的TiO2阴极片的导电率、比表面积及孔隙情况进行分析，发现由于TiO的掺入使得其与TiO2颗粒相互聚合形成较大团状颗粒，因此阴极片的比表面积随着其掺入量的增加逐渐减小。对掺入不同含量的TiO电解结果加以分析，研究发现由于TiO的掺入能使阴极片的导电率逐渐增强，且其与CaTiO3反应形成CaTi2O4缩短了电解过程，减小CaTiO3的阻碍作用使得其掺入有利于电解还原的进行；但由于随掺入量的增多，阴极片比表面积逐渐减小而不利于O2-的传输，使得通过掺入TiO以提高整个电解还原的效率有一最佳掺入量。综合分析，当掺入TiO量约为9%时，电解还原效果最好。