熱質(zhì)耦合作用下高純石墨孔隙成孔機(jī)理及結(jié)構(gòu)表征

項(xiàng)目從多孔介質(zhì)角度入手研究太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)用高純石墨制備過(guò)程中的焙燒工藝，研究揮發(fā)分（以煤瀝青為主）在焙燒過(guò)程中發(fā)生的流動(dòng)、熱解、縮聚、凝固等現(xiàn)象，對(duì)焙燒后的多孔石墨非均質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行分形表征，研究了流體在多孔介質(zhì)中滲透性能，提煉研究結(jié)果用于指導(dǎo)石墨焙燒工藝優(yōu)化，提升高純石墨制品品質(zhì)。研究結(jié)果表明：（1）煤瀝青在焙燒工藝中的流動(dòng)與揮發(fā)過(guò)程是在伴隨熱-固-液-氣多場(chǎng)耦合的飽和多孔介質(zhì)與非飽和多孔介質(zhì)內(nèi)熱質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程，通過(guò)容積平均法推導(dǎo)得到其控制方程組，方程組中各參數(shù)物理意義明確，但受目前的實(shí)驗(yàn)手段和技術(shù)方法限制，部分參數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得尚有一定困難。（2）焙燒過(guò)程正是多孔石墨“孔隙產(chǎn)生-逐步增多-局部連通-全部連通-網(wǎng)狀聯(lián)接”的逾滲演化過(guò)程，實(shí)驗(yàn)研究表明了其逾滲特征明顯。（3）多孔石墨孔隙結(jié)構(gòu)具有典型的非均質(zhì)特征，通過(guò)分形理論對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)（面積分形維數(shù)、體積分形維數(shù)、迂曲度分形維數(shù)、顆粒分形維數(shù)等）進(jìn)行了表征，并對(duì)其滲透性能進(jìn)行了分形描述。（4）研究結(jié)果用于指導(dǎo)石墨坯料焙燒升溫曲線(xiàn)，進(jìn)一步降低熱解和縮聚階段的升溫速度，延長(zhǎng)保溫時(shí)間，有利于形成牢固骨架，減小開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，降低廢品率。（5）指導(dǎo)制備的高純石墨制品應(yīng)用于光伏企業(yè)，品質(zhì)有較大提升，石墨配件重復(fù)利用率上升，并由此開(kāi)發(fā)了還原反應(yīng)后石墨和硅的回收、分離與再利用技術(shù)，形成良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 研究成果對(duì)于提升我國(guó)高純石墨制品，降低多晶硅生產(chǎn)成本，提升我國(guó)光伏行業(yè)產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，有一定的促進(jìn)作用。同時(shí)，研究成果有利于指導(dǎo)后續(xù)的浸漬工藝，在惡劣工況下機(jī)械用碳/石墨材料領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景，可用于高溫、缺氧（無(wú)氧）、干摩擦、自潤(rùn)滑等不同環(huán)境下的密封材料基其他輔件。

項(xiàng)目針對(duì)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)用高純石墨材料制備中的關(guān)鍵工藝--焙燒成孔過(guò)程開(kāi)展研究。利用石墨材料的多孔特性，從多孔介質(zhì)熱質(zhì)輸運(yùn)理論出發(fā)，運(yùn)用基于容積平均法的Whitaker 模型研究焙燒成孔工藝中的熱質(zhì)輸運(yùn)現(xiàn)象，建立熱質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程中各相（固、液、氣）質(zhì)量、動(dòng)量及能量守恒系列控制方程，結(jié)合多物理場(chǎng)耦合軟件Comsol Multiphysics開(kāi)展數(shù)值研究?；谟鉂B理論建立符合石墨材料結(jié)構(gòu)特征的逾滲模型，研究“孔隙產(chǎn)生-局部連通-長(zhǎng)程聯(lián)結(jié)-網(wǎng)狀連通”的演化過(guò)程，提出判斷孔隙結(jié)構(gòu)逾滲特征的標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)用分形理論表征石墨非均質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證并修正理論研究結(jié)果，提煉有價(jià)值的規(guī)律，指導(dǎo)焙燒成孔工藝改進(jìn)，優(yōu)化孔隙形態(tài)與分布，更好應(yīng)用于后續(xù)工藝。研究成果有利于提高國(guó)產(chǎn)高純石墨制備工藝水平和制品質(zhì)量，降低多晶硅生產(chǎn)成本，提升我國(guó)太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，以高質(zhì)量、低成本的國(guó)產(chǎn)高純石墨替代同類(lèi)進(jìn)口產(chǎn)品。

本項(xiàng)目通過(guò)三年的研究工作，已完成項(xiàng)目計(jì)劃內(nèi)容，并取得了一系列研究成果。 本項(xiàng)目從汶川地震收集的山嶺隧道震害資料出發(fā)，統(tǒng)計(jì)分析了汶川地震中山嶺隧道的震害資料，提出了山嶺隧道抗震風(fēng)險(xiǎn)層次分析模型，深入調(diào)查了受損隧道的地質(zhì)構(gòu)造情況，研究了跨斷層隧道的震害特征，并系統(tǒng)描述了跨斷層隧道的震害形態(tài)。 通過(guò)斷層活動(dòng)與地震耦合作用下隧道—斷層體系的災(zāi)變機(jī)理研究，提出了采用損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)分析隧道—斷層體系的非線(xiàn)性反應(yīng)，建立起基于損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)的隧道—斷層體系的安全性評(píng)價(jià)體系。并提出了在隧道斷層處設(shè)置結(jié)構(gòu)構(gòu)造的措施。 根據(jù)穿越活動(dòng)斷層隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)特性，分析了不同影響因素下隧道縱向抗震設(shè)防長(zhǎng)度，數(shù)值模擬結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，提出了分級(jí)量化指標(biāo)。根據(jù)震害調(diào)查分析及模擬結(jié)果，對(duì)斷層區(qū)隧道的抗震設(shè)防進(jìn)行了分段，根據(jù)不同位置制定了不同的對(duì)策措施，并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證，修改完善了設(shè)防體系，最終提出了跨斷層隧道抗震設(shè)防應(yīng)用性設(shè)計(jì)參數(shù)。 發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄7篇，部分研究成果發(fā)表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收錄）、《Disaster Advances》（SCI收錄）、《中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》(EI收錄)、計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)學(xué)報(bào)(EI收錄)、土木工程學(xué)報(bào)(EI收錄)及《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(EI收錄)等國(guó)內(nèi)外期刊上。另外，發(fā)表學(xué)術(shù)專(zhuān)著一部，并獲得大連市人民政府資助出版。 2100433B

研究?jī)?chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)，深入揭示油氣儲(chǔ)層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)油氣田勘探和開(kāi)發(fā)有著重要的意義。

儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究主要集中于儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)成因分析、儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征和分類(lèi)評(píng)價(jià)、基于儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究進(jìn)行儲(chǔ)層評(píng)價(jià)、儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)流體活動(dòng)的影響、儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)開(kāi)發(fā)的影響、油氣田開(kāi)發(fā)對(duì)儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)的影響和儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)研究方法手段的改進(jìn)等幾個(gè)方面 。

孔隙結(jié)構(gòu)分選性

分選性反映孔（喉）大小偏離某一標(biāo)準(zhǔn)值（中值或最大值）的程度，偏離越小，分布越均一；反之，偏離越大，越不均一?？缀矸诌x性越好，越有利于流體滲流。

表征孔隙或喉道分選性的參數(shù)主要有分選系數(shù)、相對(duì)分選系數(shù)和均質(zhì)系數(shù)。其中，分選系數(shù)和相對(duì)分選系數(shù)表達(dá)了孔（喉）大小偏離孔喉均值的程度，均質(zhì)系數(shù)表達(dá)了孔（喉）大小偏離最大連通孔喉半徑的程度。

孔隙結(jié)構(gòu)連通性

①孔喉配位數(shù)

孔喉配位數(shù)是指連接每一個(gè)孔隙的喉道數(shù)量，通常以統(tǒng)計(jì)結(jié)果的平均數(shù)來(lái)表示。這是反映孔隙連通性的重要參數(shù)。

②孔喉平均直徑比

孔喉平均直徑比為孔隙平均直徑與喉道平均直徑的比值，反映孔隙和喉道之間的大小差別，也是孔隙連通程度的一種反映。