热质耦合作用下高纯石墨孔隙成孔机理及结构表征

The roasting process of high purity graphite used in the solar photovoltaic industry is study in this project. According to the porous characteristics of the graphite material, basing on the heat and mass transport theory of porous media, the heat and mass transport phenomena are investigated with Whitaker model of the volume averaging method. The controlling equations for mass, momentum and energy conservation laws are established for every phase (solid, liquid, gas) in heat and mass transport processes. The numerical studies are conducted with multi-physics coupling software Comsol Multiphysics. The percolation model will be developed to study the evolution procedure of “pore - local connection - long-range links- network”. Moreover, the criterion of percolation characteristics is developed and the heterogeneity is described by fractal theory. By the validation and improvement with experiments, the laws are extracted to improve the roasting process, optimize the structure and realize the better used in the subsequent process. The research will help improve the domestic preparation level and quality of high purity graphite. The ultimate goal is to reduce the production cost of polysilicon and improve the competitiveness of China's solar products. Consequently, the imported high purity graphite products are instead of the high-quality and low-cost domestic products..

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。

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。