铝电解用阴极炭块先行失效会导致铝电解槽寿命缩短,钠及电解质渗透侵蚀进入阴极内衬,引起阴极炭块内衬膨胀,继而发生失效破损是阴极炭块先行失效的最核心因素。阴极炭块为多相复合材料,其各相组成成分的空间分布以及其各相材料之间的相互作用,都会使得炭块表现出不同的宏观性能。本课题旨在从细观结构研究阴极炭块内部破损,揭示细观结构对钠渗透膨胀及炭块的力学特性的影响。本论文在国家自然科学基金项目(No.51264011)资助下,针对目前模拟研究大多将阴极炭块看作为均匀性材料,缺少细观结构下阴极炭块的研究,从阴极炭块细观角度出发,建立了细观非均质模型,利用有限元软件进行了细观结构的模拟研究,研究内容如下:提供了一种铝电解用阴极炭块的检测技术。通过显微CT技术获取阴极炭块数字图像,计算出每个炭骨料颗粒的粒径和面积,得到了阴极炭块的各组成成分的比例,孔隙含量为0.031,沥青含量为0.183,炭骨料含量为0.756,杂质含量为0.029,对炭骨料成分进行深一层次的分析,得出炭骨料颗粒不同面积的比例,粉料所占面积比例为37.42%,小颗粒为55.51%,中颗粒为4.31%,大颗粒为2.74%。研究了基于细观结构铝电解阴极炭块的钠扩散过程。细观结构上将阴极炭块视为炭骨料和沥青二相复合材料,运用ANSYS有限元软件,建立阴极炭块细观二维随机骨料模型,模拟了钠在非匀质炭块中的扩散过程,分别考察了炭骨料粒度组成、含量和形貌对钠扩散过程的影响。结果表明:炭骨料相对于沥青对炭块中的钠扩散更具有阻碍作用,椭圆形炭骨料、级配3-6mm炭骨料、含量60%炭骨料钠扩散速率最慢。圆形炭骨料、级配3-15mm炭骨料、含量80%炭骨料钠扩散速率最快。研究了基于细观结构铝电解阴极炭块的钠膨胀应力。在细观层面上建立二维随机骨料模型,采用ANSYS软件对钠膨胀应力模型进行求解,对不同形状、级配、含量的骨料模型钠膨胀应力进行数值模拟分析。结果表明:圆形炭骨料钠膨胀量最小,椭圆形炭骨料钠膨胀量最大;级配3-15mm炭骨料膨胀量最小,级配3-6mm炭骨料钠膨胀量最大;骨料含量80%钠膨胀量最小,骨料含量60%钠膨胀量最大。研究了基于细观结构铝电解阴极炭块破损过程的力学行为。从细观结构角度,建立阴极炭块二维随机骨料投放模型,利用LS-DYNA有限元软件模拟阴极炭块在单轴压缩下的力学行为,研究和分析了不同形状、含量、级配的骨料对炭块力学行为的影响。结果表明:圆形骨料破裂速度最慢,椭圆形骨料破裂速度最快;骨料含量80%破裂程度最小,骨料含量60%破裂程度最大,级配3-6mm骨料损伤扩展程度最小,级配3-15mm骨料损伤扩展程度最大。