我国目前在大型铝电解槽设计制造方面已跻于世界一流水平,但在槽寿命方面与世界先进水平相比仍有较大差距。现代大型铝电解槽中碳阴极为关键大型部件,直接影响到槽寿命、能耗水平和固体废弃物排放量。已有研究表明,阴极失效、槽寿命降低的主要原因与电解质-钠渗透及阴极膨胀-蠕变过程有关。但先前研究工作多着重于阴极碳素材料实体结构,而对其孔隙空间研究尚不够充分且缺乏先进的定量表征分析方法。因此,本论文主要基于数字图像分析技术,建立适用于碳素阴极材料孔隙结构的分析表征方法,并以此深入研究探讨碳素阴极材料孔隙结构特征在焙烧制备过程的演变及其与电解渗透-膨胀-蠕变性能之间的耦合关系,为构建分析评价铝用碳阴极电解渗透-膨胀-蠕变性能的新方法、进而实现材料孔隙结构的优化调控提供技术依据和理论基础。首先针对铝用阴极的材料及孔径范围,基于体视学和形态学原理改进和完善碳素阴极材料孔隙图像分析技术,定义孔隙率、平均孔径、视孔隙比表面积、形状因子、取向因子、连通率、配位数、孔隙分形特征等多种孔隙结构特征参数并实现了相关测量分析,形成了一种基于图像分析的碳素阴极孔隙结构表征方法。采用该法可定量、多方面的统计分析表征碳素阴极孔隙内部结构、微区孔隙结构、孔隙演变特征,并可作为研究孔隙结构与目标性能关系的技术手段。其次,基于该图象分析方法对不同焙烧温度、不同成型压力下石墨质阴极孔隙结构、典型工业阴极的孔隙结构进行分析,发现石墨质阴极内群体孔隙及在不同焙烧温度下的演变具有自相似性并符合分形规律,其生坯经不同温度至1200℃焙烧后孔隙分形维数由1.25逐步增大为1.50,由此可借助图像分析孔隙结构参数和分形维数界定不同典型焙烧温度下阴极孔隙结构的演变特征。还发现随着成型压力升高,孔隙形状因子和连通率呈现单调增大趋势,而孔隙率则表现为先降低后升高的规律。同时,三种典型工业产品(半石墨质、全石墨质、石墨化)阴极的孔隙率随阴极材料石墨化程度提升而增大(分别为23%、25%和30%),而其孔隙比表面积、取向因子和孔隙连通性则呈减小趋势,孔隙趋于各向同性且分布更均匀。然后,进一步采用图像分析与SEM-EDS分析相结合的方法,对碳素阴极材料电解前后的熔盐化学成分和孔隙结构进行精细协同分析。结果表明,电解时熔盐电解质主要以NaF形态通过不同类型孔隙通道渗透进入碳素阴极内部,熔盐渗透程度大小与孔隙结构特征的耦合关系可由图像分析所获参数中形状因子、孔隙连通率和配位数进行精细分析表征,即：较狭长的连通孔隙(形状因子、连通率和配位数数值均较大)比其他类孔隙更易于熔盐渗透,该狭长孔隙越多则熔盐渗透量越大。在改进的Carman-Kozeny渗透模型中引入二维图像孔隙参数,可对相同石墨化程度阴极材料中熔盐电解质的渗透规律进行模拟。此外,在高温电解原位膨胀研究过程中首次发现孔隙结构均匀的高纯石墨阴极材料相临局部区域孔隙异化的演变现象,即：在开放自由膨胀条件下阴极中心区域孔隙减小而相邻边缘区域孔隙对应增大,并通过力学分析解释了这种相邻区域孔隙-应力间对应演变趋势,揭示出在无外界约束条件下阴极材料通过内部区域孔隙自组织行为达到应力与应变的平衡机制。同时在高温电解原位蠕变研究过程中发现,阴极材料在初期蠕变时,孔隙率出现减小现象外,在更长的蠕变时间后,无论是中部还是边部区域孔隙都呈现数量增加、体积扩张的现象,实验室条件下蠕变行为最终导致孔隙率增加约50%。在有外力约束条件下,当膨胀行为是主作用时,阴极材料试样内部孔隙通过自组织行为释放不均匀应力,而当外应力导致蠕变行为占主导作用时,孔隙结构发生劣化坍塌,并产生新的孔隙。实际工业铝电解过程中,阴极碳素尺寸较大,内部应力分布不均使碳块整体处于膨胀-蠕变的非平衡状态下,孔隙的自组织调节将有利于不断释放阴极材料内应力,减小蠕变行为导致的阴极损伤。