铝用石墨质阴极不同焙烧温度下孔隙结构演化

采用图像分析方法研究铝用石墨质阴极在不同焙烧温度下孔隙结构特征及其演变,考察孔隙率、孔径分布、形状因子、视孔隙比表面积、连通性等参数的变化规律和孔隙复杂度的分形特征.结果表明:随着焙烧温度增加,孔隙率逐渐增大,而视孔隙比表面积、形状因子和连通性呈先减小后增大趋势;石墨质阴极试样不同温度下焙烧生成孔隙均符合分形规律,借助图像分析孔隙结构参数和分形维数可界定不同典型焙烧温度下阴极孔隙结构的演变特征,并据此提出相应的孔隙特征演化模式.     

特种石墨尾料用作锂离子电池负极的研究

特种石墨尾料具有低灰分、较高的石墨化度和较大的碳微晶尺寸等特点,有望用于锂离子电池的负极材料。通过XRD、SEM和比表面分析仪对特种石墨尾料石墨化处理前后样品的微观结构进行了分析对比,评价了其电化学性能,探讨了特种石墨尾料用于锂离子电池负极材料的可行性及对其进行石墨化处理的必要性。结果表明,特种石墨尾料可以直接用作低端负极材料的生产原料;经过高温石墨化处理后,负极材料的循环性能、首次库仑效率和可逆容量均得到不同程度提升,应用范围进一步扩大。     

不同石墨化程度碳纤维表面电化学氧化特征研究

对不同石墨化程度的碳纤维进行表面电化学氧化处理,利用XPS、Raman和XRD研究了其表面氧化的特征和规律性以及碳纤维表面结构变化对碳纤维电化学氧化行为的影响,利用层间剪切测试（ILSS）分析了不同石墨化程度碳纤维复合材料的界面性能。结果表明：碳纤维经电化学氧化后,表面O、C原子个数比有增大的趋势,随碳纤维石墨化程度的提高,其增大的幅度越来越小;相同电流密度下,随石墨化程度的提高,碳纤维表面对电化学氧化的反应性减弱;不同石墨化程度的碳纤维经电化学氧化后,表面化学官能团以及ILSS的变化趋势均不同。不同石墨化程度碳纤维表面碳结构状态的不同是造成这些变化的根本原因。     

膨胀石墨微结构表征及其储能复合材料的制备

以膨胀石墨为吸附介质,制备新型的相变储能复合材料.对膨胀石墨的制备及微结构的表征、有机相变材料的热物理性能测试、复合相变材料的制备及其储(放)热性能的测试等进行了试验.试验结果表明,可膨胀石墨在600 w微波输出功率下处理10～15 s后,可以制得具有良好吸附性能的膨胀石墨材料.电镜观测和压汞分析都显示,膨胀石墨具有丰富的孔隙结构,孔隙尺寸以微米级为主.由于膨胀石墨为非极性材料,且具有多孔性质,很容易吸附有机相变材料,其最佳的吸附比例为12.5 mL/g.进行吸附处理后所制得的相变储能复合材料,具有明显的储能效应,能够起到调节环境温度的作用,同时根据上述特点可以达到将能量在不同的时间和空间进行转换的目的.     

石墨粒度对膨胀石墨孔隙结构的影响

为研究不同粒度的鳞片石墨在膨胀过程中孔结构的变化情况，采用不同粒度的石墨在相同条件下经酸化、高温膨胀获得膨胀倍数不同的膨胀石墨.用扫描电镜观察原料石墨、可膨胀石墨及膨胀石墨形貌，结合膨胀石墨的膨胀倍数，结果发现用不同粒度石墨制备的膨胀石墨的孔隙结构（缠绕空间、V型裂开和网络型孔隙）的特征基本相同，但尺寸随粒度呈规律性的变化.证实石墨粒度、孔隙结构尺寸与膨胀倍数三者之间存在对应关系，粒度是石墨膨胀倍数不同的重要因素.     

碳钢焊缝组织石墨化显微图像的自动测量

针对压力锅炉、中温中压机组主蒸汽管道碳钢部件焊缝处金相组织石墨化程度的检测问题,将数字图像处理和模式识别技术运用于显微金相组织测量之中,选择适合的算法,通过用VisualBasic.Net编程,建立了一套对石墨进行形状表征和粒度测量的图像检测系统.系统利用扫描仪将金相照片转换为可进行图像分析的格式,或用CCD摄像机经光学显微镜获取数字化金相图像;针对石墨化部位原始图片灰度区间窄的特征,预处理着重进行全域线性灰度变换,使图像清晰,突出石墨组织;采用基于二维直方图Fisher线形分割的图像分割方法选取二值化阈值,能够更好地分开不同的聚类,且计算量小;图像识别采用边缘检测区域的办法,可提取出要检测的粗大呈黑色的石墨组织.该系统实现了对碳钢石墨化组织中石墨的定量化测量,对石墨各项指标的测量值为精确的数字结果,且检测速度快(不超过5min),效率高.实测结果表明,自动检测系统与金相分析法的分析结果完全吻合.     

高温气冷堆工程验证用国产石墨的强度实验研究

 对国产石墨材料(NG-CT-01)进行了强度实验研究。考虑石墨材料强度的分散性,对石墨材料不同批次和坯料不同部位、不同方向进行了取样。根据国标实测了材料的抗拉、抗压和抗弯强度。由于在对石墨的应力评价中,压缩应力是以当量拉应力出现的,且石墨安全评价所用数据一般通过抗拉强度实验确定,所以着重对实测数据中的抗拉强度进行了在95%置信水平、99%可靠度的性能指标下的最小强度计算。为了对石墨强度进行安全评价,必须知道石墨强度的威布尔分布。因此应用Weibull++7软件采用极大似然法对抗拉强度实验数据进行了两参数威布尔分布的参数拟合,并按照德国高温气冷堆设计规范《KTA-3232 反应堆压力容器内的陶瓷堆内构件》的规定修正了威布尔分布参数,为后续高温气冷堆工程验证提供了基础参数。将实验结果和若干国内外规格的石墨数据进行对比,国产石墨的强度参数在其原基础上有所提高,可基本满足工程验证结构和抗震试验的技术要求,目前已经用于大型石墨堆芯结构抗震试验模型的加工制造。     

石墨基炭材料的制备及其性能

以天然鳞片石墨为原料,高锰酸钾(KMnO_4)、浓硫酸(H_2SO_4)、过氧化氢(H_2O_2)、乙酸(CH_3COOH)为氧化插层体系,采用化学氧化法制备石墨基炭材料.采用7因素3水平正交试验L_(18)(3~7)研究不同氧化插层体系配比对石墨基炭材料膨胀体积的影响;通过拉曼光谱(RSM)、扫描电镜(SEM)、比表面积及孔径测定仪(BET)表征石墨基炭材料的性能.结果表明:当氧化插层体系配比为m(KMnO_4(g))∶V(H_2SO_4(mL))∶V(H_2O_2(mL))∶V (CH_3COOH(mL))=1∶10∶2∶2时,在40℃恒温水浴下搅拌60 min,80℃下干燥4 h制备得到可膨胀石墨;然后,在700℃下高温膨胀得到石墨基炭材料.在该条件下得到的石墨基炭材料的最大膨胀体积为230 mL/g.经氧化处理过的石墨高温膨胀后石墨层结构发生了明显变化,无序度增加,结晶度减小;石墨基炭材料的外观蓬松,呈卷曲状,层间孔隙大小明显;最大吸附量可达到75.9 cm~2/g,具有较好的吸附性能;最大孔隙结构直径为369.10nm,具有发达的孔隙结构.本研究成果可为石墨基炭材料的制备提供方法和应用依据.     

石墨纤维表面的微观结构及其对物理吸附性能的影响

采用多种分析测试手段对石墨纤维表面的微观结构进行表征,并分析其表面微观结构对物理吸附性能的影响。研究表明：石墨纤维呈圆柱形,表面较光滑,结构较均匀,缺陷较少,单丝直径约为14～20 μm,纯度约为97.69 at％;石墨纤维具有类石墨结构,石墨微晶的层间距、晶粒尺寸和石墨化度分别为0.3402 nm、14.5 nm、44.19 %,拉曼光谱R值为1.2;石墨纤维含有较丰富的微孔结构,总比表面积、微孔比表面积、总孔体积、微孔体积、平均孔径和微孔孔径分别为537.02 m2/g、535.02 m2/g、0.2430 cm3/g、0.2368 cm3/g、1.8100 nm、1.1702 nm,是一种有工业前景的吸附材料;石墨纤维的物理吸附性能与其表面处理、晶体结构、表面结构和孔隙结构等有关,主要由微孔决定,是可以被用作于储氢的碳材料。     

石墨泡沫内流动与传热的数值分析

通过对石墨泡沫材料内部微几何结构的分析,建立了流动和导热的数值分析模型.计算并分析了材料孔隙内压力梯度与流速的关系,证明了孔内压力梯度与流速的二次方关系,渗透率的计算结果与相关文献的理论分析和实验结果吻合较好.研究了在有流体通过孔隙并与孔壁有对流换热的情况下,流速和孔隙率对石墨泡沫材料容积导热系数的影响.     

连续多孔材料孔隙水压力系数的推导

进行连续多孔材料的应力计算对分析其上部建筑物变形及稳定有着重要意义。连续多孔材料的实际应力及孔隙水压力系数是计算整体连续多孔材料受力的关键参数。利用弹性力学方法对饱和连续多孔材料进行受力分析,推导了连续多孔材料的实际应力与孔隙水压力的关系表达式,对连续多孔材料在轴对称应力状态下的两种受力情况进行了变形分析,分别推导了两种情况下材料的孔隙水压力系数表达式,并给出了试验验证方法。研究成果对连续多孔材料在基础工程中的应用具有指导意义。     

毛竹与樟子松木材孔隙结构的比较

【目的】竹木材料孔隙结构特征是影响材料性能的重要因素。通过定量表征与直观观察相结合方式探索竹木材料内部孔隙结构特征。通过对比分析,建立竹木材料内部孔隙结构与组织构造的对应关系,分析竹木材料内部孔隙结构差异,研究孔隙结构对材料性能的影响。【方法】以毛竹和樟子松木材为试验材料,采用压汞法对材料的孔隙率、孔体积、孔径分布、比表面积等参数进行定量测试,分析材料的孔隙结构特征。采用扫描电镜对材料的组织结构(毛竹:导管、筛管、薄壁细胞和纹孔等部位。樟子松:管胞、射线薄壁细胞、纹孔等部位)进行观察,确定各组织结构所构成孔隙的孔径范围。【结果】孔隙率(毛竹47.58%、樟子松67.16%)及汞压入量(毛竹0.633 mL/g、樟子松1.596 mL/g)测试结果表明毛竹内部孔体积显著低于樟子松。总孔面积(毛竹82.04 m²/g、樟子松18.16 m²/g)及中孔孔径(毛竹33.8 nm、樟子松445.0 nm)对比结果表明毛竹中大部分孔隙集中在孔径较小区域(32.4 nm左右),而樟子松木材中孔隙孔径主要集中在226.7、7 082.3 nm左右,造成毛竹孔面积显著高于樟子松木材。结合扫描电镜观察结果可知,毛竹中孔径11.3～100 μm范围内孔隙主要对应导管、基本组织中的薄壁细胞及纤维细胞。而835.0 nm左右孔隙对应基本组织及纤维细胞上纹孔。樟子松木材中孔径20 μm左右孔隙对应樟子松木材管胞; 而7 082.3 nm左右孔隙则对应具缘纹孔的纹孔口和射线薄壁细胞。此外,毛竹和樟子松木材中孔径小于1 μm的孔隙结构(毛竹中32.4 nm左右,樟子松木材中226.7、749.9 nm左右)主要位于具缘纹孔塞缘及细胞壁上。【结论】采用压汞法和扫描电镜观察方法可以实现对毛竹及樟子松木材孔隙结构的表征分析,有助于分析竹木材料性能差异产生的原因。然而,在通过压汞测试材料孔隙结构参数时,受墨水瓶孔效应影响,部分孔径较大的孔隙被认为是小孔,影响测试结果的准确性。因此,后续研究应考虑竹木材料的孔隙形态,从而实现对竹木材料孔隙结构的全面准确表征。     

单颗粒煤孔隙结构的扫描电镜研究及分形重构

运用扫描电子显微镜对所选三种煤样微观孔隙结构的观察研究,总结出不同煤种内部孔隙的分类及孔隙的分布情况,进一步研究不同孔隙结构对燃烧的影响。提出了一种新的重构方法,利用Matlab软件对烟煤SEM图像进行分析处理,运用分形理论总结得到孔隙结构的分形特征,然后自编程序对其二维结构进行重构,最后得到重构图像及各参数与真实图像及各参数有很好的相似度。重构结果表明,该方法与真实实验具有很好的吻合,其为研究单颗粒煤及其它多孔材料内部孔隙结构提供了一种方法。     

Insight into the change in carbon structure and thermodynamics during anthracite transformation into graphite

The thermodynamic and kinetic mechanisms of Taixi anthracite during its graphitization process were explored. To understand the variation trends of carbon arrangement order, microcrystal size, and graphitization degree against temperature during the graphitization process, a series of experiments were performed using Raman spectroscopy and X-ray diffraction(XRD). Subsequently, the influencing factors of the dominant reaction at different temperatures were analyzed using thermodynamics and kinetics. The results showed that the graphitization process of Taixi anthracite can be divided into three stages from the perspective of reaction thermodynamics and kinetics. Temperature played a crucial role in the formation and growth of a graphitic structure. Meanwhile, multivariate mechanisms coexisted in the graphitization process. At ultrahigh temperatures, the defects of synthetic graphite could not be completely eliminated and perfect graphite crystals could not be produced. At low temperatures, the reaction is mainly controlled by dynamics, while at high temperatures, thermodynamics dominates the direction of the reaction.     

Visualizing single-molecule diffusion in mesoporous materials

Periodic mesoporous materials formed through the cooperative self-assembly of surfactants and framework building blocks can assume a variety of structures, and their widely tuneable properties make them attractive hosts for numerous applications. Because the molecular movement in the pore system is the most important and defining characteristic of porous materials, it is of interest to learn about this behaviour as a function of local structure. Generally, individual fluorescent dye molecules can be used as molecular beacons with which to explore the structure of--and the dynamics within--these porous hosts, and single-molecule fluorescence techniques provide detailed insights into the dynamics of various processes, ranging from biology to heterogeneous catalysis. However, optical microscopy methods cannot directly image the mesoporous structure of the host system accommodating the diffusing molecules, whereas transmission electron microscopy provides detailed images of the porous structure, but no dynamic information. It has therefore not been possible to 'see' how molecules diffuse in a real nanoscale pore structure. Here we present a combination of electron microscopic mapping and optical single-molecule tracking experiments to reveal how a single luminescent dye molecule travels through linear or strongly curved sections of a mesoporous channel system. In our approach we directly correlate porous structures detected by transmission electron microscopy with the diffusion dynamics of single molecules detected by optical microscopy. This opens up new ways of understanding the interactions of host and guest.     

三聚氰胺改性酚醛基多孔碳材料的制备及其二氧化碳吸附性能

采用浓乳液模板法制备三聚氰胺-间苯二酚-甲醛多孔树脂,将其热解后得到了可用于二氧化碳吸附的氮掺杂多孔碳材料。研究了浓乳液模板的分散相体积分数和三聚氰胺含量对多孔碳材料微观形貌的影响,结果表明,在浓乳液模板分散相体积分数为90%的条件下制备的多孔聚合物具有丰富的通孔结构。经过热解后,得到了兼具无机碳骨架和有机氮活性位点的氮掺杂多孔碳材料。进一步研究了不同热解温度和三聚氰胺含量对多孔碳材料二氧化碳吸附性能的影响,二氧化碳的吸附容量最高可达到3.32 mmol/g,同时表现出良好的选择吸附性和再生性。     

多孔材料的孔结构对其力学性能及破裂机制的影响

针对多孔材料的孔结构对其宏观力学性能及其破裂机制与耐久性的影响,对两种不同孔结构的多孔材料进行了单轴压缩和冻融循环试验,建立了能反映材料内部孔隙结构的三维非均匀数值模型,对两种多孔材料在单轴压缩下的破裂机制进行了分析.实验结果表明:孔结构对于金尾矿多孔材料的力学性能有显著影响.较大的孔隙率除会显著降低材料的抗压强度外,吸能性能会显著增加;在±25℃范围内冻融循环10次条件下的试验结果表明,当金尾矿多孔材料的孔隙率较小且为闭孔结构时,孔洞因冻融造成的孔壁颗粒脱落填塞而造成材料的抗冻性能有所提高;孔隙率较小时,金尾矿多孔材料在单轴压缩下的裂纹扩展主要从试件两端向试件中部扩展贯通为一条连续主拉裂纹,次生裂纹较少;而孔隙率较大时,压缩过程会出现大量微裂纹,最终主裂纹附近会伴随大量次生裂纹.     

水泥基复合材料氯离子扩散系数与孔隙率之间的关系

为了研究水泥基复合材料中孔隙率对氯离子扩散系数的影响,成型了不同水灰比,含骨料体积分数、粒径与级配不同的砂浆试样;采用稳态电加速法测试氯离子扩散系数、压汞技术测试孔结构参数、微焦点计算机断层扫描技术(X-CT)可视化孔结构分布,系统地研究了水泥基复合材料氯离子扩散系数与其骨料体积分数、总孔隙率、毛细孔隙率、连通孔径之间的关系。结果表明：骨料与基体之间的界面过渡区(界面区)显著地改变了水泥石中孔结构分布,水灰比越小,多孔的界面区对材料孔隙率的影响越显著;水泥基复合材料的氯离子扩散系数与其总孔隙、毛细孔隙率之间有很好的相关性,与其连通孔径几乎成线性关系,连通孔径越大,氯离子的扩散系数越大。     

SDS对ZnO多孔纳米块体孔道结构的影响

以ZnO纳米颗粒为原料，十二烷基硫酸钠（SDS）水溶液作造孔剂，利用我们独有的液态溶剂热压方法制备了ZnO多孔纳米块体. 实验结果表明，通过调控SDS溶液的浓度,可以调节ZnO多孔纳米块体的结构参数. 当SDS的浓度达到4.34×10^-1mol/L时，ZnO多孔纳米块体的孔道空间分布均匀性最好，孔径分布也最窄. 另外，红外分析结果表明，在液态溶剂热压制备ZnO多孔纳米块体过程中，SDS在ZnO多孔纳米块体的孔道中有微量残留.