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熔盐电解制备镁锶合金的研究

作　者: 范书迪
导　师: 路贵民；李小松
学　校: 华东理工大学
专　业: 材料工程
关键词: 熔盐电解镁锶合金共沉积电流效率合金成分
分类号: TF82
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

镁合金作为绿色工程材料,其明显的优点主要表现在密度小、比强度高及比刚度高、阻尼性能高、电磁屏蔽能力强及易回收等,近年来备受关注,其广泛应用于航空航天、交通工具、3C产品等领域。然而镁合金在120℃以上时,其力学性能较差,特别是高温抗蠕变性能、抗腐蚀性能和热裂抗性较差。向镁合金中加入碱土金属元素锶能提高镁合金的耐热性能。镁锶合金的制备一般采用对掺法,该法的缺点是流程长、能耗高,在熔炼的过程中,合金元素烧损和偏析都很严重。鉴于对掺法的缺点,本文提出全部采用金属化合物为原料,通过熔盐电解共沉积一步直接制备镁锶合金的新方法。本论文在700℃下的MgCl2-SrCl2-KCl熔盐体系中采用熔盐电解共沉积法首次制备出了Mg-Sr合金。分别采用循环伏安法,计时电流法和计时电位法等电化学测试方法研究了对MgCl2-SrCl2-KCl熔盐体系中Mg2+阴极还原过程和Mg-Sr合金共电沉积机理。研究结果表明,在MgCl2-SrCl2-KCl熔盐体系中,当氯化镁浓度为2wt%时,Mg2+在钨电极上的电化学还原过程受镁离子浓度差极化的扩散控制,镁离子的阴极还原过程是简单的一步得到2个电子的准可逆反应过程,电位扫描速率的增加、电流强度的增加、熔盐中氯化镁浓度的增加都会增加反应过程的不可逆性。Mg2+的扩散系数可以通过不同的电化学方法求出,其数值均处于10-5 cm2/s数量级,其扩散活化能为55.7kJ/mol。研究不同氯化镁浓度下MgCl2-SrCl2-KCl熔盐体系中镁锶共沉积过程中发现,锶在镁上(镁预先沉积到钨丝阴极上)形成欠电位沉积而形成液态镁锶合金,使得锶的实际析出电位降低了0.5V左右。在阴极相对电位低于-1.5V左右的时候,镁会析出,当阴极相对电位低于-2.0V时,镁锶会形成共析出。在镁锶共析出的时候,整个电极过程不再是简单的扩散控制。通过计时电位法研究发现Mg和Sr能产生共电沉积的电流条件是：在含有2wt%MgCl2的熔盐中,阴极电流密度超过0.71A/cm2；在含有5wt%MgCl2的熔盐中,阴极电流密度超过1.57A/cm2；在含有10wt%MgCl2的熔盐中,阴极电流密度超过2.83A/cm2。通过研究电解温度、电流密度、电解时间和熔盐体系中氯化镁浓度分别对电流效率和合金成分的影响,优化出一条较好的熔盐电解制备镁锶合金的工艺路线,即电解温度为700℃,阴极电流密度为8.0A/cm2,氯化镁浓度维持在10%左右,每隔两个小时左右取出已经沉积出的合金(锶含量35%左右),电流效率可达85%左右,此工艺路线比单独电解锶的电流效率要高出40%。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-18
  1.1 镁、锶及其合金的发展和应用  11-12
    1.1.1 我国的镁、锶资源  11-12
    1.1.2 镁、锶的基本属性和应用  12
  1.2 锶在镁合金中的作用  12-13
  1.3 熔盐电解法简介  13-15
    1.3.1 熔盐电解法概述  13-14
    1.3.2 熔盐电解法制备合金的种类  14-15
  1.4 课题背景以及主要研究内容  15-18
    1.4.1 研究意义  15-16
    1.4.2 主要内容  16-18
第2章文献综述  18-22
  2.1 镁锶合金的制备方法  18-19
    2.1.1 对掺法  18
    2.1.2 "溶—浸"还原法  18-19
    2.1.3 真空热还原法  19
    2.1.4 液态阴极法  19
  2.2 MgCl_2-SrCl_2-KCl熔盐体系中镁离子阴极电化学还原过程研究  19-20
  2.3 熔盐电解共沉积制备镁锶合金的共沉积机理和电解工艺的研究  20-22
第3章熔盐电解质体系的选取和预处理  22-28
  3.1 熔盐电解质体系的选择  22-24
    3.1.1 氯化物体系的标准分解电位的理论计算  22-23
    3.1.2 熔盐体系和镁锶合金的相图  23-24
  3.2 熔盐电解质的预处理  24-25
    3.2.1 无水氯化镁和无水氯化钾的预处理  24
    3.2.2 六水氯化锶的脱水过程研究  24-25
  3.3 参比电极的选择  25-27
  3.4 本章小结  27-28
第4章镁离子阴极电化学还原过程研究  28-41
  4.1 引言  28
  4.2 实验试剂、仪器及设备  28-30
    4.2.1 主要实验试剂和实验仪器  28-29
    4.2.2 实验装置  29-30
  4.3 循环伏安法  30-35
    4.3.1 氯化镁浓度为2%时的熔盐体系  30-33
    4.3.2 氯化镁浓度为5%时的熔盐体系  33-34
    4.3.3 氯化镁浓度为10%时的熔盐体系  34-35
  4.4 计时电位法  35-37
  4.5 计时电流法  37-40
  4.6 本章小结  40-41
第5章熔盐电解共沉积Mg-Sr合金的电化学机理研究  41-52
  5.1 引言  41
  5.2 MgCl_2浓度为2wt%时的镁锶共沉积过程  41-44
    5.2.1 循环伏安法  41-42
    5.2.2 计时电流法  42-43
    5.2.3 计时电位法  43-44
  5.3 MgCl_2浓度为5wt%时的镁锶共沉积过程  44-47
    5.3.2 计时电流法  44-46
    5.3.3 计时电位法  46-47
  5.4 MgCl_2浓度为10wt%时的镁锶共沉积过程  47-48
    5.4.1 计时电位法  47-48
  5.5 镁锶合金共沉积条件及理论分析  48-50
  5.6 本章小结  50-52
第6章熔盐电解共沉积Mg-Sr合金的工艺研究  52-74
  6.1 引言  52
  6.2 实验装置  52-53
  6.3 电流效率的计算方法  53-54
  6.4 电流效率的影响因素  54-58
    6.4.1 电解温度对电流效率的影响  54-55
    6.4.2 电流密度对电流效率的影响  55-56
    6.4.3 电解时间对电流效率的影响  56-57
    6.4.4 MgCl_2浓度对电流效率的影响  57-58
  6.5 电解温度和电流密度对槽电压的影响  58-61
    6.5.1 电解时间对槽电压的影响  58
    6.5.2 电流温度对槽电压的影响  58-59
    6.5.3 电解密度对槽电压的影响  59-60
    6.5.4 MgCl_2浓度对槽电压的影响  60-61
  6.6 合金成分的影响因素  61-66
    6.6.1 电流密度对合金成分的影响  62
    6.6.2 电解温度对合金成分的影响  62-63
    6.6.3 电解时间对合金成分的影响  63-64
    6.6.4 MgCl_2浓度对合金成分的影响  64-66
  6.7 电化学方法评价阴极电流密度对电流效率的影响  66-72
    6.7.1 电化学方法评价电流效率原理  66-67
    6.7.2 51.6%SrCl_2-48.4%KCl熔盐体系中阴极电流密度对电流效率的影响  67-68
    6.7.3 81%SrCl_2-19%KCl熔盐体系中阴极电流密度对电流效率的影响  68-69
    6.7.4 MgCl_2浓度为2%时阴极电流密度对电流效率的影响  69-70
    6.7.5 MgCl_2浓度为5%时阴极电流密度对电流效率的影响  70-71
    6.7.6 MgCl_2浓度为10%时阴极电流密度对电流效率的影响  71-72
  6.8 本章小结  72-74
第7章结论和建议  74-76
  7.1 结论  74-75
  7.2 建议  75-76
参考文献  76-81
硕士期间申请并公开的专利  81-82
致谢  82

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