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石墨多孔介质成孔逾渗机理及渗透率研究

王启立  
【摘要】:石墨材料是典型的多孔介质,微观结构中存在大量微小孔隙,必须通过浸渍密实或者过滤吸附才能成为性能优异的工程材料,但是对石墨坯料无序孔隙的盲浸很难获得高品质材料,制约了高端石墨材料制备工艺的发展。本文从多孔介质流体力学角度出发,研究沥青粘结剂在焙烧过程中的流动与热质输运情况,分析焙烧后多孔介质孔隙结构特征,探讨孔隙结构形成过程的逾渗机理以及孔隙结构对渗透率的影响规律。 本文首先从理论上分析了石墨多孔介质孔隙形成过程中的热质输运现象,将整个过程分为沥青软化、液相迁移、热解挥发、缩聚固化四个阶段。沥青液相迁移阶段表现为饱和多孔介质热质传递过程,孔隙空间完全由液相沥青占据;沥青软化、热解、缩聚阶段为非饱和多孔介质热质传递过程,孔隙空间由液态沥青、水蒸汽和挥发分气体共同占据。利用Whitaker体积平均法,推导了各阶段的热质输运方程,阐述了方程中各参数的物理意义。 为了研究石墨多孔介质孔隙结构形成过程的影响因素,在差异性工艺条件下制备了多组石墨生坯试样,进行了焙烧实验,通过金相实验及压汞实验测量多孔介质孔隙结构,重点考查了不同升温曲线对孔隙结构的影响。结果表明,升温速度过快促使沥青热解过程不充分,结焦率降低,形成的孔隙较为松散,不具备长程联结性。降低升温速度和延长保温时间有利于沥青充分进行热解缩聚反应,形成分布合理,具有长程联结性的孔隙结构。焙烧升温曲线按照“两头稍快,中间缓慢,延长保温时间”的原则,热解阶段的升温速度以5℃/h左右为宜,保温时间不低于36h。 本文应用分形理论描述了石墨多孔介质不规则的孔隙结构,并指出了各分形维数的物理意义。研究表明:石墨多孔介质具有典型的分形特征,其孔隙分形维数在1.683~1.821之间,骨架分形维数在1.709~1.852之间,体积分形维数在2.883~2.958之间,骨料颗粒边界分形维数在1.09~1.21之间,迂曲度分形维数在1.146~1.169之间。可以应用Menger海绵模型构造某孔隙度、比表面积的石墨多孔介质,需要根据其分形维数D,选取合适m、n、i进行构造。 石墨多孔介质形成过程表现出典型的逾渗特征,焙烧过程就是“孔隙产生-孔隙局部联通-形成有限大集团-各局部联通的孔隙长程联结,形成无限大集团”的逾渗化过程。对孔隙结构图像进行了重整化群计算,并用压汞实验进行验证。结果表明:过滤用多孔介质面孔隙度在0.508~0.575之间,体孔隙度在0.273~0.324之间,具有逾渗结构;浸渍用多孔介质的面孔隙度在0.189~0.314,体孔隙度在0.107~0.155,小于正方形和简单立方体的键逾渗阈值,不具有逾渗结构。 本文利用分形理论对石墨多孔介质的渗透率进行研究,研究结果表明:(1)多孔介质渗透率与其孔隙结构参数紧密相关,并由孔隙结构参数共同决定,并不是某一个孔隙结构参数的单值函数,也没有随某个参数呈现简单的递增或递减关系。(2)预测石墨多孔介质的渗透率必须考虑迂曲度的影响,考虑迂曲度的渗透率更接近实验值,相对误差在8.60%~13.56%。(3)渗透率的实验测量值受到诸如毛细压力、流动速度、流体性质等外部条件影响。


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