热质耦合作用下高纯石墨孔隙成孔机理及结构表征

项目从多孔介质角度入手研究太阳能光伏产业用高纯石墨制备过程中的焙烧工艺，研究挥发分（以煤沥青为主）在焙烧过程中发生的流动、热解、缩聚、凝固等现象，对焙烧后的多孔石墨非均质孔隙结构进行分形表征，研究了流体在多孔介质中渗透性能，提炼研究结果用于指导石墨焙烧工艺优化，提升高纯石墨制品品质。研究结果表明：（1）煤沥青在焙烧工艺中的流动与挥发过程是在伴随热-固-液-气多场耦合的饱和多孔介质与非饱和多孔介质内热质输运过程，通过容积平均法推导得到其控制方程组，方程组中各参数物理意义明确，但受目前的实验手段和技术方法限制，部分参数通过实验获得尚有一定困难。（2）焙烧过程正是多孔石墨“孔隙产生-逐步增多-局部连通-全部连通-网状联接”的逾渗演化过程，实验研究表明了其逾渗特征明显。（3）多孔石墨孔隙结构具有典型的非均质特征，通过分形理论对孔隙结构（面积分形维数、体积分形维数、迂曲度分形维数、颗粒分形维数等）进行了表征，并对其渗透性能进行了分形描述。（4）研究结果用于指导石墨坯料焙烧升温曲线，进一步降低热解和缩聚阶段的升温速度，延长保温时间，有利于形成牢固骨架，减小开裂风险，降低废品率。（5）指导制备的高纯石墨制品应用于光伏企业，品质有较大提升，石墨配件重复利用率上升，并由此开发了还原反应后石墨和硅的回收、分离与再利用技术，形成良好的社会效益和经济效益。 研究成果对于提升我国高纯石墨制品，降低多晶硅生产成本，提升我国光伏行业产品国际竞争力，有一定的促进作用。同时，研究成果有利于指导后续的浸渍工艺，在恶劣工况下机械用碳/石墨材料领域有广泛的应用前景，可用于高温、缺氧（无氧）、干摩擦、自润滑等不同环境下的密封材料基其他辅件。

项目针对太阳能光伏产业用高纯石墨材料制备中的关键工艺--焙烧成孔过程开展研究。利用石墨材料的多孔特性，从多孔介质热质输运理论出发，运用基于容积平均法的Whitaker 模型研究焙烧成孔工艺中的热质输运现象，建立热质输运过程中各相（固、液、气）质量、动量及能量守恒系列控制方程，结合多物理场耦合软件Comsol Multiphysics开展数值研究。基于逾渗理论建立符合石墨材料结构特征的逾渗模型，研究“孔隙产生-局部连通-长程联结-网状连通”的演化过程，提出判断孔隙结构逾渗特征的标准，并应用分形理论表征石墨非均质的孔隙结构。通过实验研究验证并修正理论研究结果，提炼有价值的规律，指导焙烧成孔工艺改进，优化孔隙形态与分布，更好应用于后续工艺。研究成果有利于提高国产高纯石墨制备工艺水平和制品质量，降低多晶硅生产成本，提升我国太阳能光伏产品的竞争力，以高质量、低成本的国产高纯石墨替代同类进口产品。

本项目通过三年的研究工作，已完成项目计划内容，并取得了一系列研究成果。 本项目从汶川地震收集的山岭隧道震害资料出发，统计分析了汶川地震中山岭隧道的震害资料，提出了山岭隧道抗震风险层次分析模型，深入调查了受损隧道的地质构造情况，研究了跨断层隧道的震害特征，并系统描述了跨断层隧道的震害形态。 通过断层活动与地震耦合作用下隧道—断层体系的灾变机理研究，提出了采用损伤指标和能量指标分析隧道—断层体系的非线性反应，建立起基于损伤指标和能量指标的隧道—断层体系的安全性评价体系。并提出了在隧道断层处设置结构构造的措施。 根据穿越活动断层隧道的地震动力响应特性，分析了不同影响因素下隧道纵向抗震设防长度，数值模拟结合振动台试验，提出了分级量化指标。根据震害调查分析及模拟结果，对断层区隧道的抗震设防进行了分段，根据不同位置制定了不同的对策措施，并且通过现场测试验证，修改完善了设防体系，最终提出了跨断层隧道抗震设防应用性设计参数。 发表学术论文10篇，其中SCI收录2篇，EI收录7篇，部分研究成果发表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收录）、《Disaster Advances》（SCI收录）、《中南大学学报（自然科学版）》(EI收录)、计算力学学报学报(EI收录)、土木工程学报(EI收录)及《现代隧道技术》(EI收录)等国内外期刊上。另外，发表学术专著一部，并获得大连市人民政府资助出版。 2100433B

研究储层孔隙结构，深入揭示油气储层的内部结构，对油气田勘探和开发有着重要的意义。

储层孔隙结构研究主要集中于储层孔隙结构成因分析、储层孔隙结构的定量表征和分类评价、基于储层孔隙结构研究进行储层评价、储层孔隙结构对流体活动的影响、储层孔隙结构对开发的影响、油气田开发对储层孔隙结构的影响和储层孔隙结构研究方法手段的改进等几个方面 。

孔隙结构分选性

分选性反映孔（喉）大小偏离某一标准值（中值或最大值）的程度，偏离越小，分布越均一；反之，偏离越大，越不均一。孔喉分选性越好，越有利于流体渗流。

表征孔隙或喉道分选性的参数主要有分选系数、相对分选系数和均质系数。其中，分选系数和相对分选系数表达了孔（喉）大小偏离孔喉均值的程度，均质系数表达了孔（喉）大小偏离最大连通孔喉半径的程度。

孔隙结构连通性

①孔喉配位数

孔喉配位数是指连接每一个孔隙的喉道数量，通常以统计结果的平均数来表示。这是反映孔隙连通性的重要参数。

②孔喉平均直径比

孔喉平均直径比为孔隙平均直径与喉道平均直径的比值，反映孔隙和喉道之间的大小差别，也是孔隙连通程度的一种反映。