铝用石墨阴极孔隙结构与石墨化程度关系研究

铝用石墨阴极孔隙结构的常规研究方法难以对不同石墨化程度材料进行快速量化和智能化分析。根据体视学原理在二维空间定义孔隙结构参数,采用图像分析技术对不同类型石墨阴极孔隙结构的孔隙率、孔径、形状因子、孔隙取向及连通率等进行分析表征。结果表明,所用图像分析方法可定量分析石墨阴极材料的孔隙结构特征,并显示其与材料石墨化程度的规律性关系,所获数据有助于评价阴极材料性能和优化阴极制备过程参数。     

石油焦煅烧程度对铝用炭阳极显微结构及电解消耗的影响

以不同煅烧程度石油焦为骨料，煤沥青为黏结剂制备铝用低煅焦炭阳极.通过激光共聚焦扫描显微镜和图像分析方法对炭阳极孔隙结构进行分析表征，并考察阳极反应性和电解消耗性能.在煅后焦微晶尺寸1.7~2.7 nm范围内降低石油焦煅烧程度，炭阳极小孔隙逐渐沿骨料-黏结剂界面演变为裂纹状大孔隙，炭阳极孔隙率、形状因子及连通率均先减小后增大，视孔隙比表面积呈减小趋势.煅后焦微晶尺寸降低至1.9 nm较为适宜，对应的炭阳极空气和CO2反应质量损失率最少为9.6%和3.0%，每吨铝阳极碳耗为355.4 kg.低煅焦炭阳极过量消耗机制从以黏结剂选择性消耗转变为骨料与黏结剂共同消耗，使碳渣量减少.     

钙质砂颗粒内孔隙三维表征

南海钙质砂颗粒形状复杂,颗粒棱角突出且面孔隙与内孔隙结构发达.为了准确表征钙质砂内孔隙三维形态,本文借助高精度X射线μCT扫描技术,得到钙质砂颗粒高精度断层图像.通过对原始CT扫描断层图像切割、除噪、二值化等一系列操作,重构得到钙质砂颗粒三维图像.由于钙质砂颗粒外形不规则,因此直接提取其内部孔隙较为困难,本文通过对钙质砂颗粒的三维图像进行三维闭合运算等一系列算法的处理,较好地重构了钙质砂内部的三维孔隙.根据块状钙质砂颗粒的外表特征、内孔隙孔隙率的大小、孔径分布曲线形状以及分形维数的大小,可以大致将块状钙质砂颗粒分为两种类型.第1种类型块状钙质砂颗粒外表存在较多沟壑且内孔隙较为发达,第2种类型块状钙质砂颗粒内孔隙较不发达且连通性较低.两种类型块状钙质砂颗粒内孔隙的孔隙率与孔径分布曲线存在明显差异.同时研究发现,钙质砂颗粒内孔隙较好地符合三维分形特征,且分形维数的大小与孔隙率大小成正相关关系.为了深入地研究钙质砂颗粒内部孔隙的连通性,本文通过计算其距离图获得颗粒内孔隙的空间网络模型,对其分析得出,钙质砂颗粒网络模型的配位数分布大体趋势相同,由于两种钙质砂颗粒内孔隙形态的差异,配位数的分布也略有差异.     

多尺度分形多孔介质气体有效扩散系数的数学模型

基于毛细管束假设和分形理论,建立了一种计算多孔介质中气体有效扩散系数的数学模型.利用分形几何理论,引入孔隙面积分形维数、孔道迂曲度分形维数以及孔隙连通性等参数定量表征多孔介质中真实的内部结构,构建出多孔介质、多尺度孔隙结构的分形模型,系统地研究了多孔介质中不同尺度孔隙下的气体扩散过程,推导出了分形多孔介质气体有效扩散系数模型,并分析讨论了多孔介质微结构参数对气体有效扩散系数的影响.研究结果表明,气体有效扩散系数随着平面孔隙度的增大而近似呈线性增加,孔隙面积分形维数与气体有效扩散系数呈正相关,而孔道迂曲度分形维数与气体有效扩散系数呈负相关;不同孔隙度情况下,气体有效扩散系数随着孔隙最小/最大直径比的变化趋势不同,孔隙连通性越强的多孔介质,气体有效扩散系数越大.     

烟煤空气气化半焦的孔隙特性

利用氮气吸附的方法,测量了枣庄烟煤及其在常压流化床空气气氛下的气化半焦的比表面积、总孔体积、孔径等参数,研究结果表明:在空气气化过程中孔隙结构变得发达,比表面积、总孔体积明显增大,孔径明显减小,且随着温度的升高,半焦的比表面积,孔隙率也明显增大,平均孔径明显减小.并与氮气热解半焦进行对比,气化半焦的比表面积和总孔体积都明显的增大.     

基于分形的多孔介质复合相变材料的储热特性

本文利用膨胀石墨和纳米颗粒来强化相变储热系统的传热性能。在膨胀石墨基体中填充含纳米颗粒的相变材料,用焓-孔隙度法模拟材料的相变过程。针对不规则的膨胀石墨孔隙结构,用三维W-M分形函数修正膨胀石墨孔隙率波动,以研究不同的孔隙率和有效导热系数比对固态显热蓄热阶段相变材料熔融速率的影响。在液态显热蓄热阶段时探讨膨胀石墨孔隙率以及纳米颗粒体积分数对相变储热系统中对流传热的影响。研究结果表明,分形分布的孔隙结构能有效地抑制纳米颗粒的自由运动从而降低了纳米颗粒的局部团聚的可能性,所以利用三维W-M分形函数修正的膨胀石墨比采用平均孔隙率能更好地模拟相变材料的熔融速率。在固态显热蓄热阶段,膨胀石墨孔隙率为0.8的相变材料熔融速率比孔隙率为0.85和0.9显著增加,另外,膨胀石墨与纳米颗粒-相变材料的有效导热系数比为100的熔融速率也明显比有效导热系数比为80和60的快。当相变材料处于液态显热蓄热阶段时,其在膨胀石墨孔隙中产生对流,对流传热速率随着膨胀石墨的孔隙率增大而增大,纳米颗粒体积分数的增加也会提高对流传热速率。     

聚丙烯纤维混凝土高温后的孔隙结构特征研究

以吸附-凝聚理论为基础,采用氮吸附法研究聚丙烯纤维混凝土在不同温度下的孔隙结构特征.通过分析试样的吸附-脱附等温曲线特征、孔径分布、比表面积,探讨了高温作用以及聚丙烯纤维对混凝土孔隙结构的影响.试验结果表明:经历不同温度的混凝土,其硬化水泥砂浆试样中均存在两端开口的孔隙,且温度越高开口孔隙的孔径越大,连通性更强.经历高温后,混凝土孔隙结构发生了改变,孔径大于200nm的孔隙数量显著增多,孔径小于50nm的孔隙相应减少,最可几孔径显著增大.经历高温前,聚丙烯纤维混凝土试样的比表面积均小于普通混凝土,最可几孔径则差别不大.与普通混凝土相比,聚丙烯纤维混凝土中小孔分布较少,而孔径较大的孔分布更多.经历高温后,纤维混凝土试样的孔径分布规律和比表面积与普通混凝土接近.     

高炉炉缸区焦炭石墨化过程中多尺度孔隙结构的变化规律

在不同加热温度下(1100～1600℃)模拟高炉炉缸区焦炭的石墨化过程,利用真空排水法及氮气吸附法考察不同石墨化程度焦炭的多尺度孔隙结构演变过程.研究结果表明:二次加热后的焦炭中孔隙结构丰富且复杂,随着二次加热温度的升高,焦炭的显气孔率、比表面积、孔容积及微孔数量呈规律性变化,可分为3个过程:即1100≤t<1200,...     

石油焦燃烧过程中孔隙结构变化实验研究

应用氮气等温吸附/脱附法分析了2种石油焦在燃烧过程中孔隙结构的变化.采用BET法和t法测定不同燃尽率的石油焦的比表面积和孔容积,并用FHH模型求得各样品的表面分形维数.实验结果表明:石油焦的孔隙结构在燃烧过程中变得发达,比表面积和孔容积较原样明显增大且变化基本趋势一致;石油焦的燃烧具有分形动力学的行为特征,且表面分形维数的变化趋势和比表面积和孔容积不同.燃烧时分形维数接近3,表明石油焦的燃烧反应在空间网格结构的内、外部同时发生.     

温度对碱渣微结构影响的试验研究

对碱渣在不同温度条件下的表面形貌变化特征进行分析研究.研究结果表明,温度对于碱渣的微观结构影响较大.结合SEM图像分析,升温过程中,由于熔融固结,碱渣由结构松散的多孔聚合体颗粒,逐渐形成联结紧密、结构致密的团聚体.碱渣的BET比表面积随着温度的升高呈现明显的下降趋势;400℃是碱渣比表面积变化的阈值,当温度达到400℃后,碱渣的比表面积出现大幅度减小.同时,碱渣的孔隙容积大幅减小,当温度达到600℃,其孔隙容积达到低点.需要注意的是温度的变化对于微孔和大孔的影响相对较大.由于升温过程中,大孔的比例持续增加,碱渣的平均孔隙直径随着温度升高呈现明显的增大,其中圆形孔的孔径的变化较线形孔的孔径更为显著.     

基于分形理论的疏浚淤泥固化土孔隙结构定量化研究

在分析疏浚淤泥固化土试样累计进汞曲线及SEM照片的基础上,基于分形理论,求得疏浚淤泥固化土孔隙结构的分形维数,确定了分形维数与微观结构参数、宏观力学性质以及固化材料比例之间的关系.研究结果表明:疏浚淤泥固化土微观孔隙结构具有明显的分形特征,其分形维数在2.8~3.2.并且,疏浚淤泥固化土的分形维数与平均孔径、孔表面积、承载比、黏聚力、内摩擦角以及矿粉掺量之间均具有很好的相关性:分形维数越大,疏浚淤泥固化土的平均孔径越小,比表面积越大,压缩指数越小,承载比、黏聚力和内摩擦角越大;分形维数随着配比中矿粉掺量的增加逐渐增大.采用分形维数可很好地定量描述疏浚淤泥固化土孔隙结构特征及力学特性,也可为疏浚淤泥固化土宏微观特性分析及模型的建立提供数据支持.     

基于光学法的纤维增强RPC力学性能及微观结构分形特征研究

为探究纤维增强活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)的宏观力学性能与微观孔隙结构特征之间的关系,测试了不同水胶比、不同河砂替代率的RPC抗压、抗折强度,并基于光学法测定了其微观孔结构参数;建立了基于气泡分布的分形模型并计算出了RPC的气泡分布分形维数;最后通过试验数据拟合,分析了气泡分形维数与孔结构参数及RPC力学性能之间的关系.结果表明:RPC基体的气泡分布具有明显的分形特征,气泡分布分形维数在2.1～2.3之间;分形维数越大,基体孔隙结构的空间分布形态越复杂;RPC基体的含气量不具备分形理论的特征,而气泡平均弦长、气泡比表面积与气泡分布分形维数呈现明显的指数相关性;RPC抗压强度、抗折强度随分形维数增大,呈明显指数增大关系.     

焙烧过程中阴极类型对阴极热场分布的影响

以有限元分析软件ANSYS为平台，建立了160kA铝电解槽焦粒焙烧时的三维1／4整槽模型；对3种典型阴极炭块（半石墨质、半石墨化和石墨化）在给定焙烧条件下的热场分布进行了仿真研究。结果表明：由于这3种炭块的电导率和导热系数依次增大，因此，在相同的焙烧条件下达到焙烧终点（阴极最高温度为1030℃）时，阴极的温度分布依次变均匀；半石墨化和石墨化阴极与半石墨质阴极相比，其最大温差分别降低了133℃和232℃；阴极表面平均温度分别提高了34℃和57℃；周边糊的平均温度分别提高了77℃和126℃；900℃以上温度所占面积则从52．4％分别提高到63．0％和70．5％；达到相同终点的焙烧时间从96h分别增加到132h和205h。当焦粒层厚度从20mm增加到30mm时，石墨化炭块的焙烧时间从205h缩短到90h，虽然焙烧效果有所下降，但仍然显著优于其他2种炭块在焦粒层厚度为20mm时的焙烧效果。     

高温对喷射混凝土孔隙结构分布特征的影响分析

齐热哈塔尔水电站引水隧洞长达15.66 km,其中有3.345 km处于高地温环境中,高温会对喷射混凝土内部孔隙结构造成严重影响。为了有效的研究喷射混凝土在高温下孔隙结构的分布特征,采用CT技术对混凝土试件断面自上而下进行扫描,获得了混凝土断层扫描影像;并结合图像分析软件Image-Pro Plus对混凝土孔隙结构分析处理,以获得混凝土在不同温度下其内部孔隙变化特点和孔隙在混凝土内的分布特征。分析结果表明:混凝土孔隙率是随温度的变化而变化的;温度升高,混凝土的孔隙率也随着增大,并且混凝土内的孔隙绝大多数是沿着骨料周边发展的。     

氧化钙孔隙参数对固硫反应速率的影响

为研究孔隙结构对固硫特性的影响,采用随机行走方法从分子运动理论的角度建立了多孔颗粒中的气体扩散模型。用简单碰撞理论来模拟气固反应,运用Fick扩散定律来模拟钙离子在产物层中的扩散。在不同温度和不同二氧化硫体积分数下进行数值模拟,研究了反应条件及孔隙参数对固硫速率的影响。结果表明,在固硫过程第一阶段,固硫速率与温度关系符合Arrhenius方程,与反应气体体积分数成线性关系;固硫速率受颗粒的孔隙率及比表面积的影响规律不明显,而与分形维数的指数成线性关系。     

双重分形多孔介质孔隙率的研究

根据双重分形多孔介质孔隙分布分形维数D与孔隙迂曲分形维数DT的定义和计算公式,推导了多孔介质孔隙率的计算公式.通过孔隙率计算公式的函数图像分析了双重分形维数D和DT的变化对孔隙率的影响,分析结果表明孔隙率随多孔介质双重分形维数D和DT的增加而增大;多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率增加的就越慢;当D DT＜3时,多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率就越大,但当D DT＞3时则相反,多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率反而越小,D DT=3是特殊点,令D DT→3时的孔隙率极限值为它的孔隙率.     

宁夏灵新矿不粘煤的孔隙结构特征及其对CO吸附的影响

为研究宁夏灵新矿不粘煤的孔隙结构特征对CO吸附的影响,开展了低温液氮吸附试验和CO吸附试验,分析了不粘煤在不同粒径下的孔隙结构特征,讨论了比表面积和孔容分布对CO吸附的影响;利用FHH模型计算了煤样孔隙的分形维数,建立了分形维数与Langmuir参数V_L、P_L之间的关系,明确了煤样孔隙分形特征对CO吸附的影响。结果表明：在各类孔隙结构中,微孔数量最多;随着煤样粒径减小,煤样总比表面积和总孔容均增加,煤样总比表面积、总孔容与V_L呈正相关;煤样在低、中、高3个压力阶段具有不同的吸附特性和分形特征,煤样对CO吸附受分形维数D₁和D₂影响,随着D₁增大,煤样对CO的吸附能力增强,随着D₂增大,煤样对CO的吸附能力逐渐减弱;分形维数D₁与V_L呈正相关,与P_L呈负相关,分形维数D₂与V_L和P_L之间相关性不明显。研究结...     

滨海软土微观孔隙测定方法研究

摘 要 土体孔隙结构是其重要物理力学指标,对研究土体变形、破坏有重要意义。本研究通过室内试验（SEM、CT技术）及数值模拟（ArcGIS）对滨海软土的孔隙结构、孔径大小及分布进行研究,就土体在分级荷载下的二、三维孔隙结构进行探讨。将基于CT试验的ArcGIS三维孔隙率、PCAS统计的SEM二维孔隙率、利用SEM二维图像计算的三维孔隙率、压汞试验实测孔隙率进行对比,分析不同方法测定孔隙率的精确度。同时对SEM图像进行测量和分析,统计不同孔径的孔隙数量随荷载的变化规律,从而分析软土的固结机理和微宏观力学性质。研究表明：随竖向荷载增大,土体大孔隙逐渐被压缩,孔隙平均直径逐渐减小,总孔隙体积减小,结构单元之间变得紧密,表观孔隙率减小。土体的轴向、径向和体积的收缩变形是由于孔隙的压缩以及颗粒的变形引起的,同时孔隙的分形维数受孔隙的压缩和颗粒的影响较大,周长-面积法求取孔隙的分形维数受阈值选取影响,但体积-面积法不受阈值选取的影响。     

基于SEM的长螺旋压灌桩水泥浆液渗透规律

为研究长螺旋压灌桩湿作业下水泥浆液的渗透特性,以某桩-粉质黏土过渡带为研究对象,采用扫描电子显微镜技术对地下水位以下粉质黏土层中的水泥浆液渗透区孔隙结构进行定性和定量分析,借助Image-Pro Plus (IPP)及地理信息系统(GIS)软件分析水泥浆液渗透区域的平均渗透距离、孔隙率、孔隙定向性及孔隙分形维数随深度增大的变化规律.结果表明:随着渗透区深度增加,水泥浆液渗入桩侧土体的平均距离增大,水泥水化产物对孔隙的充填作用增强,纤维状水化产物逐渐发育,胶结形成的空间网状结构范围增大;并且随着渗透区深度增加,桩侧土体孔隙率减小,小孔隙数量增加,大孔隙面积减小,孔隙定向性减弱,微观结构更加复杂.     

滨海软土微观孔隙测定方法

土体孔隙结构是其重要物理力学指标,对研究土体变形、破坏有重要意义。通过室内试验(SEM、CT技术)及数值模拟(Arc GIS)对滨海软土的孔隙结构、孔径大小及分布进行研究,就土体在分级荷载下的二、三维孔隙结构进行探讨。将基于CT试验的Arc GIS三维孔隙率、PCAS统计的SEM二维孔隙率、利用SEM二维图像计算的三维孔隙率、压汞试验实测孔隙率进行对比,分析不同方法测定孔隙率的精确度。同时对SEM图像进行测量和分析,统计不同孔径的孔隙数量随荷载的变化规律,从而分析软土的固结机理和微宏观力学性质。研究表明:随竖向荷载增大,土体大孔隙逐渐被压缩,孔隙平均直径逐渐减小,总孔隙体积减小,结构单元之间变得紧密,表观孔隙率减小。土体的轴向、径向和体积的收缩变形是由于孔隙的压缩以及颗粒的变形引起的,同时孔隙的分形维数受孔隙的压缩和颗粒的影响较大,周长-面积法求取孔隙的分形维数受阈值选取影响,但体积-面积法不受阈值选取的影响。