石墨纤维表面与孔隙的结构表征及分形性质分析

 
为了研究和分析石墨纤维表面与孔隙的结构和分形性质,采用场发射扫描电子显微镜、电感耦合等离子体发射光谱仪、全自动物理吸附分析仪对其进行测试与表征.研究结果表明：石墨纤维以圆柱状存在,直径约为12～18μm,表面较光滑,缺陷较少,有利于气体吸附;石墨纤维碳的质量分数约为95.86%,还含有少量的N、H、O、S和微量的Ca、Fe、Mg、Si、Al等元素,生产过程中留下的孔道不多;石墨纤维的比表面积较大,其微孔体积占总孔体积的97.98%,平均孔径在微孔区域,且孔径分布较窄,包含大量0.84nm左右和少量1.21nm左右的微孔,较丰富的微孔结构使其具有良好的吸附性能;石墨纤维的表面与孔隙具有较好的分形特性,分形维数分别为2.11和2.99,是一种有工业前景的吸附材料.     

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。     

平茬周期对沙柳林地土壤孔隙结构分形特征的影响

为揭示毛乌素沙地不同平茬周期的人工沙柳林地土壤孔隙的分形特征,阐明平茬周期对沙柳林地土壤孔隙结构特征的影响,以平茬周期为3、5、7a进行定期抚育的沙柳林地土壤为研究对象,通过低温氮气吸附试验研究了不同平茬周期沙柳林地0～50 cm土壤的孔隙结构参数及等温吸附曲线,采用Frenkel-Halsey-Hill模型计算孔隙表面的分形维数,分析了林地土壤各孔隙结构参数之间的关系以及孔隙表面分维数与各孔隙参数之间的关系.结果表明:①该研究区的林地土壤孔径以中孔(2～50 nm)为主,有少量的微孔(≤2 nm)和大孔(≥50 nm);②不同平茬周期的沙柳林地土壤孔隙结构分形特征明显,分形维数范围为2.4971～2.7797,平均为2.6849,可较好地描述林地土壤孔隙表面和孔隙结构的分形特征;③不同平茬周期下林地土壤分形维数与各孔隙结构参数有密切关系,分形维数越大,孔隙表面越粗糙,不规整程度越高;④植被的平茬影响其再生复壮,针对沙柳为主要防风固沙树种的毛乌素沙地,平茬周期为5a时较适宜林地土壤发育并保持结构稳定.可见合理的平茬周期有利于当地人工林的生长和土壤稳定发育,因此,研究结果可为当地沙柳人工林的管理和经营提供理论指导,促使沙柳人工林达到预定的生产经营目标.     

基于低温氮实验的硫化矿石吸附性能及其孔隙结构特征

为揭示硫化矿石吸附孔的分形特征,采集国内某铜矿矿样进行低温氮吸附实验。利用Quadra Sorb SI系列比表面测定仪分析粒径分别为0.300,0.125和0.088 mm 3种矿样的孔隙特征;运用FHH模型计算出各个矿样的分形维数,进一步分析硫化矿样的气体吸附能力与孔隙参数、分形维数之间的关系。研究结果表明:硫化矿样粒径越小,矿样微孔的比表面积和孔体积越大;硫化矿样对气体吸附一般发生在孔径为3~4 nm的微孔上;分形维数增大,微孔含量随之增高,比表面积也相应增大,孔表面则表现越粗糙且趋向于三维空间;分形维数反映了矿样的气体吸附能力,即分形维数与吸附能力具有正相关性。因此,由于硫化矿样粒径减小而引起的复杂孔隙结构及高分形维数,使得矿样更加容易吸附空气中的氧气而发生氧化自燃。     

构造煤微观结构对其吸附特性的影响实验

为研究构造煤孔隙微观结构及其对瓦斯吸附的影响,采用压汞实验及PCT高压吸附实验,针对澄合矿区典型构造煤煤样进行孔隙结构分析及吸附特性测定,通过实验数据计算煤样孔隙体积及表面分形维数,分析构造煤微观孔隙结构对瓦斯吸附特性及吸附常数a、b值的影响。研究结果表明:煤样总孔容以大孔贡献为主,总比表面积微孔占比最高,各煤样间大、中、小及微孔占比基本相近,煤样坚固性系数与其总孔容成反比;吸附常数a与煤样微孔孔容、比表面积呈正相关关系,吸附常数b随着煤样大孔孔容占比、微孔占比的增大而增加;随着总比表面积增加,单位质量煤瓦斯吸附量逐渐增加,即微孔比表面积越大,瓦斯吸附能力越强;煤样孔隙体积及表面分形维数均可分为两部分,大、中孔隙分形维数在2～3之间,该段分形特征较为明显且孔隙结构复杂,孔隙体积分形维数与吸附常数a呈正相关关系。     

页岩气储层孔隙系统的多尺度联合表征及评价——以焦石坝龙马溪组为例

页岩气储层孔隙系统的研究是页岩气表征与评价的核心工作之一。鉴于页岩矿物成分复杂、孔隙组分多样,多种测试手段的联合分析已成为页岩孔隙系统研究中的一个发展趋势。综合氩离子抛光-扫描电镜、低温液氮吸附、CO2吸附、特高压压汞等对川东南志留系龙马溪组页岩的微观孔隙结构、孔径分布及连通性等进行了配套实验研究。研究结果表明:1页岩储层孔隙以100 nm以下的中孔和微孔占主导,其中孔径为10 nm左右的孔隙所占体积最大;2有机质发育及含量决定了页岩气储层孔隙发育情况及孔径大小分布,表现为随着TOC含量的增大,孔径大的孔隙部分逐渐增多,有效孔隙度逐渐增大;3多种实验手段联合测试才能获得页岩的多尺度孔隙全貌特征,而液氮-高压汞联合测试能反映其孔隙系统的基本特征。总体上,优质页岩气储层具有更大的微孔孔容、比表面积、孔径大小及有效孔隙体积,研究成果和结论对页岩气储层孔隙系统的综合表征和评价具有重要借鉴意义。     

川中地区大安寨段页岩储层孔隙结构特征与主控因素分析

通过场发射环境扫描电镜观察页岩表面纳米级孔隙微观形态,并通过低温氮气吸附法测定页岩的氮气吸附脱附等温线,利用高压压汞实验进一步研究页岩储层孔隙结构,以探究研究区页岩储层的微观孔隙特征。同时,对压汞法和液氮吸附法进行归一化,使用聚集离子束扫描电镜(FIB-SEM)对页岩有机质孔隙进行三维重构,从而对页岩孔径微孔到大孔进行准确测量。研究结果表明,研究区页岩储层孔隙处于纳米级,孔隙类型可分为有机孔、晶间孔、黏土矿物粒间孔、粒内孔、微裂缝5种类型。页岩孔径分布复杂,含有大量的中孔(2~50 nm)和微孔(2 nm),同时也含有少量的大孔( 50 nm);微孔和中孔提供了大部分比表面积和孔体积;有机孔连通性较好,形成一个孔隙网络。有机碳含量(TOC)、黏土矿物含量、热演化程度(RO)和地层压力等4类参数是影响研究区大安寨段页岩孔隙结构的主要因素。     

贵州黔北地区构造煤与原生结构煤孔隙特征及分形

为了研究煤体在构造作用影响下孔隙结构与分形特征,本文采用低温氮气吸附法、压汞实验等方法,并结合分形理论对三甲煤矿突出孔洞内外煤样孔隙分布进行定量分析。通过MIP与N2GA联合分析,软硬煤临界孔径分别为59nm和86nm。硬煤孔容主要分布在100nm以下的孔隙中,构造煤各孔容分布差异不大,其中中孔和大孔孔容明显高于硬煤,并且构造煤比表面积比硬煤增大4倍多,孔容多出24.5%。根据分形理论分析发现,构造煤渗流孔和吸附孔分形维数分别为3.03和3.77均高于原生煤3.01与3.72;构造煤热力学分形维数高达2.916,构造煤具有更加复杂的孔隙结构和更加粗糙的孔隙表面。     

煤层孔隙结构对CO吸附量的影响

针对开滦集团下属3个煤矿CO长期超标的现象,测定了CO在煤层中的吸附量和煤的孔隙结构,分析了不同孔径对煤层中CO吸附量的影响,讨论了煤的孔隙率、分形维数、比表面积与煤层中CO吸附量的关系.研究结果表明,低压条件下,煤层中CO气体的吸附量与微孔体积分数呈二次曲线关系,随着压力的升高CO的吸附量与微孔体积分数成正比关系;过渡孔体积分数的增加不利于煤层中CO的吸附;孔隙率、分形维数与CO的吸附量呈二次曲线关系;CO吸附量与煤样内比表面积呈正比.图5,表5,参11.     

下寺湾地区延长组陆相页岩孔隙特征及影响因素

鄂尔多斯盆地下寺湾地区陆相页岩孔隙类型多样,微观非均质性强,为研究该区延长组长7陆相页岩储层孔隙特征,文中通过岩心描述、薄片观察、场发射扫描电镜等直接观察技术手段,结合气体吸附、核磁共振等实测分析技术,对陆相页岩的孔隙类型、大小分布进行研究。研究结果表明:长7页岩孔隙类型包括无机粒间孔、无机粒内孔和有机孔3大类及残余粒间孔、溶蚀粒间孔、碎屑与黏土粒间孔、溶蚀粒内孔、黏土矿物晶间微孔、有机孔、微裂缝7个亚类。页岩孔径从0.3 nm至15μm范围内均发育,孔径100 nm以下的微孔,以有机孔和黏土矿物晶间孔隙为主,占总孔孔体积的41%～73%;孔径大于5μm的孔隙,以溶蚀孔隙为主,占总孔孔体积的25%～55%,页岩中的孔体积主要是由大孔和微孔贡献最大,成因以溶蚀孔和有机孔为主。分析孔隙发育影响因素可知:长7页岩中大孔(孔径 10μm)孔隙体积与黏土矿物(25%～60%)、方解石含量(0.6%～2.7%)具有负相关关系,黏土矿物和方解石含量的增加占据粒间孔隙空间,大孔孔隙体积与斜长石、石英含量具有正相关关系,微孔(孔径100 nm)的体积与黏土矿物含量具有正相关性。有机质含量和热演化程度是控制有机孔体积的主要因素,在低热演化背景下(Tmax460℃),有机孔体积随热成熟度增大而增高。     

磷酸活化汉麻布活性炭纤维的孔结构

以汉麻布为原料,采用磷酸活化法制备了汉麻布活性炭纤维,并利用低温氮气吸附和密度泛函理论(DFT)对样品的孔结构进行了分析。结果表明,随着活化温度的升高,磷酸活化的汉麻布活性炭纤维的BET比表面积和总孔容都呈现先增大后减小的变化趋势。不同方法计算得到的样品比表面积值呈相同的变化规律。样品的孔分布集中在2 nm以下的微孔范围内,既有极微孔又有超微孔,只有少量中孔,基本没有大孔。所有样品的孔径在微孔范围内都呈现多峰分布,孔径≤1 nm和1~2 nm的范围内分别都出现了2个峰值孔径。微孔孔容基本上随活化温度的升高而增加,而中孔孔容的数值则整体上变化不大。样品表面能量分布较宽,并呈现有多个不连续峰值的多峰分布,宽的孔径分布导致宽的表面能量分布和较多的能量峰值,并使吸附位的种类也随之增多。     

氯化锌活化大麻布活性炭纤维的孔结构

以大麻布为原料,氯化锌为活化剂,在不同活化温度下制备大麻布活性炭纤维样品。采用低温氮气吸附和密度函数理论(DFT)等对样品的孔结构和表面能量分布等表面织构特征进行了研究。结果表明,样品BET比表面积随活化温度的升高呈现先增大后减小的变化趋势,800℃时达到最大值915 m2/g;样品是典型的微孔材料,孔分布集中于2 nm以下的微孔范围内,只有极少部分的中孔,基本没有大孔;样品的表面能量分布较宽,为不均匀性表面;随活化温度的升高,样品碘吸附量呈先增大后减小的变化趋势,与微孔孔容、总孔容以及由BET比表面积的变化趋势一致。     

桉木浆纤维多孔结构的分形分析

采用低温氮吸附法测量了桉木浆纤维的内部孔隙结构。结果表明,桉木浆纤维表面密布孔洞,孔隙分布以中孔为主,有一定量的大孔,微孔数量有限。原子力显微镜（AFM）观察也证实这一点。在低温氮吸附实验的基础上,把分形理论用于分析桉木浆纤维的孔结构,发现桉木浆纤维具有分形特征,其分形维数为2.82,分维数接近3,说明植物纤维表面较为粗糙,是密布孔洞。桉木浆纤维分形维数与其保水值等宏观性质有密切的关系。     

基于低温液氮吸附法的煤岩孔隙分形特征

为研究沁水盆地中高煤级煤的孔隙结构特征,采用低温液氮吸附实验测定了不同煤样比表面积及孔径分布数据,依据吸附-解吸曲线和分形维数对煤岩孔隙系统进行分类.结果表明:煤层微小孔较发育,具有比表面积适中(0.418～0.902 m2/g)、平均孔径小(14.6～21.0nm)、孔容小(0.001 86～0.004 53 cm3...     

四川盆地超深层泥页岩纳米孔隙特征及其地质意义

利用SEM-PCAS孔隙定量表征技术与低压N_2等温吸附实验研究X井深度为6 875~8 042m超深层泥页岩的纳米孔隙特征,并选取四川盆地及周缘地区从地表到5km左右的样品组作为对比,探索深埋藏作用对泥页岩孔隙系统的影响。研究发现,X井志留系龙马溪组、奥陶系五峰组及下寒武统筇竹寺组超深层泥页岩32个样品的孔隙特征相似,孔隙类型以有机质孔、粒间孔为主,孔隙形态以狭长-裂缝型为主。N_2等温吸附线类型为IV-H3型,QSDFT孔径分布显示其纳米孔隙主要分布于4~16nm段,BET比表面积为8.63~16.13m2/g。与对照组样品相比,X井超深层泥页岩的孔径分布更加分散,微孔体积和微孔比表面积更小,介孔/微孔的体积比值及介孔/微孔的比表面积比值比非超深层泥页岩均具有数量级的优势。X井超深层泥页岩的孔隙特征主要受埋藏深度控制,深埋藏作用会使泥页岩孔径缩小并改变孔隙的形态。     

煤与页岩低温氮吸附孔隙结构特征与分形特征对比——以阳泉地区山西组15#煤与页岩为例

以山西组高煤级煤与页岩样品为例,通过低温氮气吸附实验研究了样品的孔隙结构特征,并基于FHH分形模型计算了样品的分维值,对页岩与煤层的孔隙分形特征进行了对比研究。结果表明:页岩样品以微孔为主,同时含有一定量的过渡孔,主要的储集空间由微孔和过渡孔提供。高煤级煤样品以过渡孔为主,主要的储集空间由过渡孔提供。在测试孔径范围内,页岩样品的比表面积远大于高煤级煤。页岩的孔隙形态上以四周开放的平行板孔和裂缝型孔为主,具有部分细颈瓶孔,高煤级煤的孔隙形态以封闭型孔为主,反映页岩储层微观渗流能力更强,可能是页岩中游离气比例高于煤层的原因之一。页岩与高煤级煤均具有显著的分形特征,页岩样品分维值高于高煤级煤,说明页岩孔隙的空间结构比高煤级煤更为复杂,非均质性更强;同时二者均具有双重分形特征,页岩渗流孔分维值低于吸附孔,反映页岩吸附孔孔隙结构更为复杂。与页岩相比,高煤级煤渗流孔和吸附孔的分维值均小于页岩,孔径分布集中于过渡孔,有利于煤层气快速到达产气高峰;而页岩孔径分布则集中于微孔和过渡孔,吸附气含量更高,并且过渡孔的孔隙结构以平行板孔为主,孔隙结构特征较微孔简单。     

麻炭的制备及其微观结构

以汉麻秆为原料,通过直接炭化、磷酸/氯化锌活化法制备了麻炭。采用扫描电镜(SEM)、液N₂吸附、亚甲基蓝吸附和碘吸附分别对麻炭的微观骨架结构、表面织构、孔分布及吸附性能进行了表征。结果表明,麻炭微观形貌呈现多孔性的骨架结构,由彼此平行且直通的两种管道构成,管与管之间由管壁隔断,管壁本身分布着丰富的微孔,而且三种麻炭样品中均以微孔为主且微孔分布呈多分散性。未经活化处理的麻炭,其孔径主要分布在小于1.3nm的范围内,但其比表面积和孔容较小。磷酸和氯化锌活化的麻炭的比表面积分别达1388m²/g和1691m²/g,两者的孔分布较为相似,除了在小于2nm的范围内均有微孔分布外,还存在2～4nm范围内的中孔分布。麻炭对亚甲基蓝及碘的吸附值随比表面积的增大而增加,氯化锌活化的麻炭对亚甲基蓝和碘的吸附值最大,其次依次为磷酸活化的麻炭和未经活化处理的麻炭。     

柔性石墨微孔孔径分布X射线小角散射实验测定

介绍了X射线小角散射技术测定多孔材料微孔孔径分布的一种方法,并对几种柔性石墨中微孔孔径分布进行了实验测定。实验结果显示,所测柔性石墨中微孔具有相同的四峰分布特征,随着密度的增加孔径分布向小孔方向移动。