熱質(zhì)耦合作用下高純石墨孔隙成孔機理及結(jié)構(gòu)表征項目摘要

項目針對太陽能光伏產(chǎn)業(yè)用高純石墨材料制備中的關(guān)鍵工藝--焙燒成孔過程開展研究。利用石墨材料的多孔特性，從多孔介質(zhì)熱質(zhì)輸運理論出發(fā)，運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)輸運現(xiàn)象，建立熱質(zhì)輸運過程中各相（固、液、氣）質(zhì)量、動量及能量守恒系列控制方程，結(jié)合多物理場耦合軟件Comsol Multiphysics開展數(shù)值研究。基于逾滲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-長程聯(lián)結(jié)-網(wǎng)狀連通”的演化過程，提出判斷孔隙結(jié)構(gòu)逾滲特征的標準，并應(yīng)用分形理論表征石墨非均質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)。通過實驗研究驗證并修正理論研究結(jié)果，提煉有價值的規(guī)律，指導(dǎo)焙燒成孔工藝改進，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，提升我國太陽能光伏產(chǎn)品的競爭力，以高質(zhì)量、低成本的國產(chǎn)高純石墨替代同類進口產(chǎn)品。

項目從多孔介質(zhì)角度入手研究太陽能光伏產(chǎn)業(yè)用高純石墨制備過程中的焙燒工藝，研究揮發(fā)分（以煤瀝青為主）在焙燒過程中發(fā)生的流動、熱解、縮聚、凝固等現(xiàn)象，對焙燒后的多孔石墨非均質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)進行分形表征，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與揮發(fā)過程是在伴隨熱-固-液-氣多場耦合的飽和多孔介質(zhì)與非飽和多孔介質(zhì)內(nèi)熱質(zhì)輸運過程，通過容積平均法推導(dǎo)得到其控制方程組，方程組中各參數(shù)物理意義明確，但受目前的實驗手段和技術(shù)方法限制，部分參數(shù)通過實驗獲得尚有一定困難。（2）焙燒過程正是多孔石墨“孔隙產(chǎn)生-逐步增多-局部連通-全部連通-網(wǎng)狀聯(lián)接”的逾滲演化過程，實驗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，通過分形理論對孔隙結(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）進行了表征，并對其滲透性能進行了分形描述。（4）研究結(jié)果用于指導(dǎo)石墨坯料焙燒升溫曲線，進一步降低熱解和縮聚階段的升溫速度，延長保溫時間，有利于形成牢固骨架，減小開裂風險，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)，形成良好的社會效益和經(jīng)濟效益。 研究成果對于提升我國高純石墨制品，降低多晶硅生產(chǎn)成本，提升我國光伏行業(yè)產(chǎn)品國際競爭力，有一定的促進作用。同時，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（無氧）、干摩擦、自潤滑等不同環(huán)境下的密封材料基其他輔件。

本項目通過三年的研究工作，已完成項目計劃內(nèi)容，并取得了一系列研究成果。 本項目從汶川地震收集的山嶺隧道震害資料出發(fā)，統(tǒng)計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險層次分析模型，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)。 通過斷層活動與地震耦合作用下隧道—斷層體系的災(zāi)變機理研究，提出了采用損傷指標和能量指標分析隧道—斷層體系的非線性反應(yīng)，建立起基于損傷指標和能量指標的隧道—斷層體系的安全性評價體系。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)穿越活動斷層隧道的地震動力響應(yīng)特性，分析了不同影響因素下隧道縱向抗震設(shè)防長度，數(shù)值模擬結(jié)合振動臺試驗，提出了分級量化指標。根據(jù)震害調(diào)查分析及模擬結(jié)果，對斷層區(qū)隧道的抗震設(shè)防進行了分段，根據(jù)不同位置制定了不同的對策措施，并且通過現(xiàn)場測試驗證，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)計參數(shù)。 發(fā)表學術(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）、《中南大學學報（自然科學版）》(EI收錄)、計算力學學報學報(EI收錄)、土木工程學報(EI收錄)及《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(EI收錄)等國內(nèi)外期刊上。另外，發(fā)表學術(shù)專著一部，并獲得大連市人民政府資助出版。 2100433B

研究儲層孔隙結(jié)構(gòu)，深入揭示油氣儲層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對油氣田勘探和開發(fā)有著重要的意義。

儲層孔隙結(jié)構(gòu)研究主要集中于儲層孔隙結(jié)構(gòu)成因分析、儲層孔隙結(jié)構(gòu)的定量表征和分類評價、基于儲層孔隙結(jié)構(gòu)研究進行儲層評價、儲層孔隙結(jié)構(gòu)對流體活動的影響、儲層孔隙結(jié)構(gòu)對開發(fā)的影響、油氣田開發(fā)對儲層孔隙結(jié)構(gòu)的影響和儲層孔隙結(jié)構(gòu)研究方法手段的改進等幾個方面 。

孔隙結(jié)構(gòu)分選性

分選性反映孔（喉）大小偏離某一標準值（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)、相對分選系數(shù)和均質(zhì)系數(shù)。其中，分選系數(shù)和相對分選系數(shù)表達了孔（喉）大小偏離孔喉均值的程度，均質(zhì)系數(shù)表達了孔（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)是指連接每一個孔隙的喉道數(shù)量，通常以統(tǒng)計結(jié)果的平均數(shù)來表示。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。