近些年来,我国铝电解工业发展迅速,技术水平在国际上已属中等偏上,但与国际领先水平相比,在电解槽寿命方面仍有较大差距。我国铝电解槽早期破损严重,槽寿命偏短的问题非常突出,一直是制约我国铝电解工业可持续发展的瓶颈。在铝电解槽早期破损事故中,电解槽的最重要组成部分——阴极炭块,发生先行失效是一个最为常见的诱发因素。因此,作为槽中最薄弱的环节,阴极炭块已成为铝电解槽中最关键的结构元件之一,日益被铝电解业界所关注。本课题采用自行研制的实验装置研究了阴极炭块在铝电解环境下的相关力学性能,并采用数学方法描述了演化规律,可为铝电解槽的优化设计以及延长和预测槽寿命提供技术参数和理论依据。本文的主要研究内容如下：研究了阴极炭块钠渗透膨胀的影响因素,对比了炭块铝电解前后的显微结构及化学成分,用解析法模拟了铝电解过程中,钠在阴极炭块中的浓度和应力场分布规律。结果表明,炭块的石墨化程度越高抗钠膨胀性能越好；增加电解质分子比,炭块的钠膨胀速率和最终钠膨胀率增大；增加电流密度,炭块的钠膨胀速率增大,但最终钠膨胀率相同；采用的解析法能较好模拟钠浓度和应力场分布随时间和空间的变化规律,钠膨胀实验验证了模拟方法的正确性以及结果的可靠性。研究了阴极炭块在单轴压缩下的蠕变力学特性,分析了蠕变机理,并模拟分析了实验结果。结果表明,在相同实验条件下,SMH炭块的抗蠕变力学性能最好,其次是HC35炭块,HC100炭块最差；炭块的蠕变应变随着应力水平增加而增大；加载应力相同时,炭块的蠕变变形由小到大依次为：30℃、965℃、铝电解条件下；炭块的蠕变形式主要是位错以及滑移；模拟与实验结果对比表明,Burgers模型能较好地描述炭块蠕变的前两个阶段。研究了阴极炭块在单轴压缩下的受力性能,将损伤理论应用于阴极炭块,构建了反映阴极炭块损伤和力学行为的统一损伤演化方程以及本构模型。结果表明,在相同的电解条件下,SMH炭块的力学性质最好,其次是HC100炭块,HC35炭块最差；炭块在高温下的力学性质优于常温,高温熔盐电解条件下最差；随着加载速率的增大,炭块的峰值强度和弹性模量增大；随着电解时间的增加,炭块的腐蚀损伤加剧,力学性能不断劣化；铝电解环境对炭块力学性能的影响机制,可归因于炭块的损伤积累；构建的损伤演化方程以及本构模型,较好地反映了不同铝电解时间对炭块力学性质的影响,能有效描述铝电解环境下阴极炭块的损伤过程。