熔盐电解法制备Cu-Li中间合金工艺及机理研究

摘要

Cu-Li系合金在超导材料、有色合金的脱气剂和核聚变反应器材料等领域被广泛应用。目前主要采用对掺法制备Cu-Li合金，但是工艺过程存在生产不连续、真空度大以及合金成分不均匀等缺点；近年来，有学者在低温条件的氯盐体系中通过阴极合金化熔盐电解法在阴极铜表层获得了Cu-Li合金，但不利于收集。本文研究中以LiCl-LiF-BaF2熔盐体系为电解质，在900-1000℃温度下，使用固态金属Cu为阴极，采用熔盐电解法制备Cu-Li中间合金，且产物为液态合金，可以有效收集。
　　通过研究LiCl对LiF-BaF2熔盐体系物理化学性质的影响，确定最佳电解质成分。研究结果表明：在920℃条件下，加入3 wt％LiCl，熔体的粘度和表面张力分别下降52%和41%，密度下降6%，而电导率显著提升26%。研究温度变化对LiCl-LiF-BaF2熔盐体系物化性质的影响，发现温度的升高有利于电导率的提高，降低了粘度、密度与表面张力。
　　在LiCl-LiF-BaF2熔盐电解质体系中，930℃的温度条件下，采用循环伏安、计时电流、计时电位三种暂态电化学方法，研究Li+在W电极上放电的电化学行为。循环伏安曲线分析结果表明，Li+在W电极上发生的是一步得到单电子的准可逆反应，且电极过程控制步骤为扩散控制。通过测量计时电流曲线，计算出不同温度条件下的扩散系数，并利用Arrhenius方程计算了Li+的扩散活化能为26.9±0.7KJ/mol。另外，研究了Li+在Cu电极上还原的阴极电化学过程。通过对比分析发现，Li+在铜电极上的析出电位比在W电极上负，且峰电流值增大，Li+在Cu电极上的还原过程同样受到扩散步骤的控制，通过分析计时电位曲线，计算出扩散系数为2.945×10-5cm2/s。
　　使用纯Cu棒作阴极，石墨作阳极，在LiCl-LiF-BaF2熔盐电解质体系中进行电解，制备Cu-Li中间合金，分析了不同温度与阴极电流密度对槽电压与电流效率的影响，获得较优工艺参数为：电流密度1.2A/cm2，电解温度920℃，电解时间100min。并采用极化曲线估算法计算氯化锂的理论分解电压为-2.48V。对电解所得的合金产物进行X射线衍射图谱和扫描电子显微镜分析，发现Cu-Li中间合金以柱状晶和等轴晶形式存在，金属Li以固溶体形式溶于α-Cu相。