多孔材料建模
多孔材料的制备及其应用
多孔材料的制备及其应用多孔材料是指材料内部含有一定孔隙的材料，这种材料广泛应用于化学、生物医学、环境等领域。
一个材料的孔隙结构是决定它的吸附、分离、电子传输等性质的重要因素。
因此，制备高性能的多孔材料是当前科学研究的热点之一。
一、多孔材料的制备方法1. 沉淀法沉淀法是一种通过溶液中化学反应沉淀出孔隙结构的方法。
通过控制溶液中的pH值、温度、溶剂、表面活性剂等因素，可以调控孔径和孔隙分布。
2. 模板法模板法是利用一定形状的模板，如胶体微球、纳米线等作为孔隙的形成模板，制备多孔材料。
通过选择不同的模板材料，可以制备不同孔径和孔隙结构多孔材料。
3. 脱模法脱模法是通过一定模板制备出孔隙结构的材料，然后通过高温或化学反应，使模板物质脱离，形成孔隙结构的材料。
这种方法可以制备纳米孔、微孔和介孔等不同尺寸的多孔材料。
二、多孔材料的应用1. 气体吸附多孔材料由于其巨大的表面积，多孔结构，因此能够吸附气体。
应用于气体的吸附和分离领域，如分离空气中的氮氧化物、吸附废气中有害物质等。
2. 分子筛多孔材料还广泛应用于分子筛中。
分子筛是用于分离、捕获或变换分子的一种技术。
分子筛具有确定大小和形状等特性，可以用于催化反应、吸附分离等领域。
3. 光、电、磁性材料多孔材料中的孔隙结构、表面特性和分子空间构型等因素对电子传输、光学性质和磁性等特性有很大影响。
因此，多孔材料也可以应用于光、电、磁性材料。
如光催化剂、光伏电池材料等，都需要优秀的多孔材料。
4. 生物医学领域多孔材料还广泛应用于生物医学领域，如药物释放、组织工程、生物传感器等。
多孔材料的相容性和降解性能可以被设计，以满足特定的药物释放和生物材料应用的需求。
总之，多孔材料已经成为当前材料领域的研究热点。
未来的多孔材料将不断涉及新的领域和应用。
多孔材料的制备和性能调控
多孔材料的制备和性能调控多孔材料拥有独特的结构和性能，广泛应用于催化剂、吸附材料、传感器等领域。
然而，多孔材料的制备和性能调控一直是科学家们关注和研究的热点。
本文将从多孔材料的制备方法、性能调控策略以及应用前景等方面进行论述。
一、多孔材料的制备方法多孔材料的制备方法多种多样，其中常见的包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、模板法和燃烧法等。
溶胶-凝胶法是一种常用的多孔材料制备方法。
通过将溶胶物质在溶剂中溶解形成溶胶，再通过凝胶化反应使之形成凝胶，最后通过干燥和煅烧等步骤得到多孔材料。
该方法成本低、操作简便，适用于制备种类多样的多孔材料。
共沉淀法是利用化学反应在溶液中共沉淀出多孔材料的方法。
通过合适的溶剂和沉淀剂，可以控制沉淀速度和颗粒大小，从而调控多孔材料的孔径和孔隙结构。
这种方法制备的多孔材料通常具有较好的孔隙结构和稳定性。
模板法是一种通过有机或无机模板来制备多孔材料的方法。
通过将溶胶物质浸渍到模板材料中，然后通过煅烧或溶解模板材料得到多孔材料。
模板法可以制备孔径较小、孔隙结构有序的多孔材料，适用于制备纳米级孔径的材料。
燃烧法是一种通过燃烧反应来制备多孔材料的方法。
通常将可燃性物质与原料混合，通过燃烧反应形成多孔材料。
燃烧法制备的多孔材料具有较大的比表面积和良好的热稳定性，常用于催化剂和吸附材料的制备。
二、多孔材料的性能调控策略多孔材料的性能可以通过调控其孔径、孔隙结构和比表面积等方面来实现。
一种常用的性能调控策略是材料合成过程中的添加剂控制。
通过添加表面活性剂、聚合剂或酸碱调节剂等，可以调控多孔材料的孔径大小、孔隙结构和孔道分布等。
另一种常用的性能调控策略是后处理方法。
在多孔材料制备完成后，通过煅烧、酸碱处理、氧化还原等方法，可以进一步调控多孔材料的结构和性能。
比如，通过煅烧可以提高多孔材料的热稳定性和孔道连通性；通过酸碱处理可以调节多孔材料的酸碱性质；通过氧化还原反应可以改变多孔材料的电导性能等。
此外，多孔材料的性能还可以通过复合材料的制备来实现。
基于分子模拟的多孔炭材料结构模型构建方法研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2024 年第 43 卷第 3 期基于分子模拟的多孔炭材料结构模型构建方法研究进展周逸寰，解强，周红阳，梁鼎成，刘金昌（中国矿业大学（北京）化学与环境工程学院，北京 100083）摘要：结构模型的构建是多孔炭材料结构表征、“构效”关系探究、吸附模拟研究等的前提和基础。
本文对基于分子模拟的多孔炭材料结构模型构建方法、应用及特点进行了综述性评介，以挥发性有机物（volatile organic compounds ，VOCs ）吸附净化用活性炭的选型需求为导向，分析各种模型构建方法的适用性。
结果表明，由片段单元组装构成多孔炭结构的早期模型，能展现多孔炭材料的部分表观性质，但对多孔炭吸附性能的解析与机理阐释尚缺乏指导意义。
多孔炭结构模型构建方法可归为仿真过程法和结构重建法，前者适于炭材料微观结构演变的研究，但所需算力高；后者通过拟合多孔炭的实验、表征数据、在一定约束条件下重建模型，其中的随机填充法可以针对性地调控模型的孔结构和官能团，应用于吸附模拟研究时有助于确定吸附特定VOCs 的最优孔结构、筛选合适的活性炭，进而指导多孔炭材料的制备。
然而，对包括随机填充法在内的结构重建法，尚需掌握量化调控结构模型孔结构、表面官能团的方法与关键参数，发展能够进行多参数、多指标“构效”关系研究的多尺度化模型，才能对多孔炭材料的实际应用提供指导。
关键词：分子模拟；活性炭；结构模型；动力学模型；随机填充法中图分类号：X51；O647 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2024）03-1535-17Modeling of porous carbon materials based on molecular simulation:State-of-the artZHOU Yihuan ，XIE Qiang ，ZHOU Hongyang ，LIANG Dingcheng ，LIU Jinchang(School of Chemical and Environmental Engineering, China University of Mining and Technology （Beijing ）, Beijing100083, China)Abstract: Modelling of porous carbon materials serves as prerequisite and foundation for the characterization, structure-performance relationship investigation and adsorption simulation study. In this article, a critical literature survey was conducted on the strategy, application and merits/demerits of approaches to modelling of porous carbon materials based on molecular simulation, and the applicability of various modelling methods was analyzed in demand oriented for screening activated carbon for the purification of volatile organic compounds (VOCs). The results showed that early models constructed by either fragment, basic structural units (BSUs) or basic buildings elements (BBEs) can exhibit some apparent properties of porous carbon materials. Meanwhile, they were incapable of providing guidance for the elucidation of adsorption performance and mechanism of porous carbons. Various modelling methods of porous carbon material can be classified into two groups according to their construction strategy, theDOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0485收稿日期：2023-03-29；修改稿日期：2023-05-21。
多孔材料制备方法
多孔材料制备方法嘿，咱今儿就来聊聊多孔材料制备方法这档子事儿！你想想啊，这多孔材料就像是一个神奇的宝藏，有着无数的可能性等待我们去挖掘。
那怎么才能把它给弄出来呢？先来说说其中一种常见的方法，发泡法。
就好比做面包的时候要让面团发酵膨胀一样，我们通过一些特殊的手段让材料里面产生好多好多的小气泡，这些小气泡就是孔啦！是不是挺有意思的？就像给材料吹了好多小气球似的，让它变得松松软软，充满了空隙。
还有溶胶-凝胶法呢！这就像是变魔术一样，把一些液体材料变成像果冻一样的凝胶，然后再经过一些处理，就能得到多孔的结构啦。
就好像是把一滩水变成了一个有着好多小孔的神奇物体，你说神奇不神奇？模板法也很不错哦！这就像是按照一个模子来塑造东西一样，我们先找个合适的模板，然后让材料沿着模板的形状长啊长，最后把模板拿掉，嘿，多孔材料就出来啦！就像盖房子有了框架，然后房子就能盖得有模有样的。
水热法也不能落下呀！把材料放在一个特殊的环境里，就像给它洗了个特别的热水澡，然后它就发生奇妙的变化，出现了好多孔。
这就像在温泉里泡一泡，出来就焕然一新啦！你说这多孔材料的制备方法是不是各有各的奇妙之处？每种方法都像是一个独特的钥匙，能打开多孔材料这个神秘宝库的不同大门。
那我们在实际操作中可得仔细着点，就像做饭一样，火候、调料都得恰到好处。
要是不小心出了差错，那可就前功尽弃啦！而且啊，不同的应用场景可能需要不同的多孔材料，这就要求我们得灵活运用这些制备方法。
就像医生看病，得根据不同的病人开不同的药方一样。
你想想，要是以后我们能随心所欲地制备出各种我们想要的多孔材料，那该有多棒啊！可以用来做更好的隔音材料，让我们的生活更安静；可以用来做更高效的过滤装置，让我们的环境更干净；还可以用来做更先进的电池材料，让我们的电子产品更强大。
所以说呀，这多孔材料制备方法可真是个宝啊，我们可得好好研究研究，把它的潜力都给挖掘出来，让它为我们的生活带来更多的惊喜和便利！怎么样，你是不是也对这神奇的多孔材料制备方法充满了好奇和期待呢？。
多孔材料计算模型拟合及其仿真应用研究
多孔材料计算模型拟合及其仿真应用研究CAI M，ZHANG J Y，HUANG K P.Fitting of computational model of porous materials and simulation application[J].AudioDOI：10. 16311/j. audioe. 2021. 02. 004多孔材料计算模型拟合及其仿真应用研究苗1，2，张健业1，黄坤朋2.广东省电声电子技术研发与应用企业重点实验室，多孔材料在音箱声学性能优化调整中经常被用到，但基于JCA模型的多孔介质材料属性较难获取，对音箱声学性能影响的仿真无法准确进行。
基于此，利用阻抗管测试系统结合有限元仿真，从而获得材料的计算模型，仿真声压级曲线与测试结果基本吻合。
Fitting of Computational Model of Porous Materials and Simulation Application,ZHANG Jianye1,HUANG Kunpeng(1.GuoGuang Electric Company Ltd, Guangzhou 510800, China;2.Key Laboratory of research, Development and Application of Electroacoustic Electronic Technology, Guangzhou 510800, China)Porous materials are often used in the optimization and adjustment of acoustic performance of speakers. However, it is difficult to obtain the properties of porous materials based on JCA model, so the simulation of the effects of porous materials on acoustic performance of speakers cannot be carried out accurately.In this paper, based on the present situation, the impedance tube test system combined with finite element simulation was used to reverse calculate the five parameters of porous material, such as the flow resistance rate, porosity, tortuosity factor, viscous characteristic length and thermal characteristic length, so as to obtain the calculation model of the material, and the model was put into the actual box sample for simulation verification.The results show that the curve of the simulated sound pressure level before and after adding the sound absorbing material is basically consistent with the test.porous materials; JCA model; simulation; standing wave多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料。
多孔材料力学性能与结构设计
结构材料
多孔材料可应用于结构材料领 域，如轻质混凝土、泡沫金属 等，具有轻质高强等特点。
02 多孔材料的力学性能
弹性性能
弹性模量
多孔材料在弹性范围内受力时，其应力与应变之间的关系由弹性模量决定。
泊松比
多孔材料在单向受力时，横向应变与纵向应变之间的关系由泊松比描述。
强度与韧性
高建筑的节能保温性能。
抗震减震
多孔材料的孔洞结构能够吸收和分散 地震能量，提高建筑的抗震性能。
隔音降噪
多孔材料的孔洞结构能够有效地吸收 和分散噪音，降低室内噪音水平，提
高居住和工作环境的舒适性。
环境工程领域的应用
污水处理
多孔材料具有较大的比 表面积和良好的吸附性 能，能够有效地吸附和 去除水中的有害物质， 用于污水处理和净化。
疲劳极限
多孔材料在一定条件下， 不会发生疲劳破坏的最大 应力值。
03 多孔材料的结构设计
结构设计原则
功能性原则
根据多孔材料的应用需求， 如过滤、吸音、隔热等功 能，进行有针对性的结构 设计。
力学性能原则
确保多孔材料的力学性能， 如抗压、抗拉、抗弯等能 力，以满足使用要求。
经济性原则
在满足功能和性能要求的 前提下，尽量降低制造成 本，提高经济效益。
结构设计方法
几何建模法
根据多孔材料的形状和尺寸，建 立相应的几何模型，进行结构设
计和优化。
数值模拟法
利用数值模拟软件，对多孔材料 的力学性能进行模拟分析，优化
结构设计。
实验法
通过实验测试多孔材料的力学性 能，根据测试结果调整结构设计，
并进行优化。
结构优化设计
拓扑优化
01
matlab多孔结构建模 概述及解释说明
matlab多孔结构建模概述及解释说明1. 引言:1.1 概述:在当今科学和技术领域中，多孔结构的建模和分析对于理解材料特性、预测材料行为以及设计新型材料起着至关重要的作用。
多孔结构是指由空隙或孔隙组成的材料，广泛存在于自然界和工业应用中。
例如，多孔材料在过滤、传质、吸附等领域具有广泛的应用。
1.2 文章结构:本文将首先介绍Matlab在多孔结构建模中的应用，并探讨其在建模方法和技术方面的优势。
然后，我们将解释说明多孔结构的作用和应用领域，并探讨Matlab 如何帮助实现多孔结构建模与分析。
最后，通过示例案例分析与讨论，展示Matlab在多孔结构建模中的实际应用效果。
1.3 目的:本文旨在通过对Matlab多孔结构建模进行概述及解释说明，向读者传达Matlab 在这一领域中的重要性，并展示Matlab作为一个强大而灵活的工具，在解决实际问题时所提供的帮助和优势。
以上是“1. 引言”部分的内容，可以根据需要进行适当调整和补充。
2. Matlab多孔结构建模2.1 多孔结构概念多孔结构是一种具有许多微观空隙或通道的复杂结构，广泛存在于自然界和工程领域中。
例如，多孔材料如海绵、纤维束和磁性材料等都属于多孔结构的范畴。
这些多孔结构在各种领域中拥有广泛的应用，包括过滤、吸附、传质、声学、光学和催化等。
2.2 Matlab在多孔结构建模中的应用Matlab作为一种强大而灵活的科学计算软件，在多孔结构建模领域发挥着重要作用。
通过利用Matlab提供的丰富函数库和工具箱，我们可以实现对多孔结构进行精确的建模和分析。
首先，Matlab提供了许多数值方法和算法来解决与多孔介质相关的方程和问题。
例如，有限元方法（FEM）和有限差分法（FDM）等常用数值方法可以用于求解流体力学、热传导以及质量传递等与多孔介质相关的方程。
同时，Matlab还提供了优化工具箱，可用于寻找最佳的多孔结构设计方案。
其次，Matlab支持图形可视化，可以通过绘制三维图形、二维图像和动画等方式展示多孔结构的建模结果。
多孔介质流动与传热特性的数值模拟与优化
多孔介质流动与传热特性的数值模拟与优化多孔介质是一种具有复杂结构和多尺度特性的材料，广泛应用于工程领域中的流体力学与传热过程。
对多孔介质的流动与传热特性进行准确的数值模拟和优化，对于提高工程设备的效率和性能具有重要意义。
一、多孔介质流动与传热的数值模拟方法多孔介质的数值模拟方法主要包括连续介质模型和离散介质模型。
连续介质模型基于宏观平均方程，将多孔介质看作均匀、各向同性的连续介质，通过求解宏观平均方程，得到多孔介质的宏观流动和传热特性。
离散介质模型则采用微观尺度的方法，将多孔介质看作由许多微观单元组成的离散介质，通过求解微观单元的运动方程，得到多孔介质的微观流动和传热特性。
1.1 连续介质模型连续介质模型是最常用的多孔介质数值模拟方法之一。
在连续介质模型中，多孔介质的宏观流动和传热特性通过求解质量守恒、动量守恒和能量守恒方程得到。
对于流体流动，常用的连续介质模型包括达西-布里兹模型和林布尔格-奥斯特罗姆模型等。
对于传热过程，连续介质模型可以采用经验规则，如埃尔福特数、修正努塞尔数等，进行数值模拟。
1.2 离散介质模型离散介质模型是一种基于微观尺度的多孔介质数值模拟方法。
在离散介质模型中，多孔介质的微观流动和传热特性通过求解微观单元的运动方程得到。
常用的离散介质模型包括网格模型、直接模拟孔隙度、分子动力学模型等。
离散介质模型通常具有更高的计算精度和更丰富的物理细节，但计算复杂度也更高。
二、多孔介质流动与传热特性的数值模拟优化方法多孔介质的数值模拟优化方法主要包括网格优化和参数优化两个方面。
网格优化通过调整计算网格的精细程度和结构，提高数值模拟的计算精度和效率。
参数优化通过调整模型中的各种参数，提高数值模拟的准确性和可靠性。
2.1 网格优化网格优化是提高多孔介质数值模拟精度和效率的重要手段。
传统的网格优化方法包括均匀网格划分、自适应网格划分和多重网格方法等。
近年来，基于人工智能和机器学习的网格优化方法也得到了广泛应用。
多孔材料的制备与性能研究
多孔材料的制备与性能研究近年来，多孔材料在材料科学领域备受关注。
多孔材料具有独特的结构和性能，被广泛应用于催化剂、吸附剂、能源存储等领域。
本文将探讨多孔材料的制备方法以及其性能研究。
一、多孔材料的制备方法1. 模板法模板法是一种常见的多孔材料制备方法。
该方法通过选择适当的模板，将材料在模板中进行沉积或溶胶凝胶法制备。
常见的模板包括硬模板和软模板。
硬模板通常是一种具有孔洞结构的材料，如聚苯乙烯微球。
软模板则是一种可溶于溶剂的高分子材料，如聚乙烯醇。
模板法制备的多孔材料具有良好的孔隙结构和尺寸可控性。
2. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种常用的多孔材料制备方法。
该方法通过溶胶的凝胶化过程形成多孔材料。
溶胶是一种由固体颗粒悬浮在液体中形成的胶体体系。
凝胶是指溶胶中的颗粒聚集形成的三维网络结构。
溶胶凝胶法制备的多孔材料具有高比表面积和孔隙率，适用于吸附剂和催化剂的制备。
3. 气相沉积法气相沉积法是一种常用的多孔材料制备方法。
该方法通过将气体或蒸汽在高温下反应沉积在基底上形成多孔材料。
常见的气相沉积法包括化学气相沉积和物理气相沉积。
化学气相沉积是指通过化学反应在基底上形成材料，物理气相沉积则是指通过物理过程在基底上形成材料。
气相沉积法制备的多孔材料具有较高的结晶度和孔隙度。
二、多孔材料的性能研究1. 孔隙结构多孔材料的孔隙结构是其性能的重要指标之一。
孔隙结构包括孔径、孔隙度和孔隙分布等。
孔径是指孔洞的大小，孔隙度是指孔隙所占的体积比例。
孔隙分布则是指孔洞在材料中的分布情况。
研究多孔材料的孔隙结构可以通过吸附-脱附等方法进行。
2. 比表面积多孔材料的比表面积是指单位质量或单位体积的材料表面积。
比表面积越大，材料的吸附性能和催化性能越好。
比表面积可以通过氮气吸附法、比表面积分析仪等方法进行测定。
3. 吸附性能多孔材料的吸附性能是指其对气体或溶液中物质的吸附能力。
吸附性能的研究可以通过吸附等温线、吸附动力学等方法进行。
三维多孔结构的形成机理
三维多孔结构的形成机理
三维多孔结构的形成机理通常与材料的合成方法和过程有关。
以下是一些常见的三维多孔结构的形成机理：
1. 模板法：这种方法通常使用一种具有孔洞结构的模板，如胶粒、多孔玻璃、多孔膜等。
通过模板的作用，可以在材料生长过程中形成预先设计的三维多孔结构。
2. 自组装法：这种方法利用分子或离子之间的相互作用，如氢键、范德华力等，使分子或离子在溶液中自发组装形成有序的三维结构。
3. 烧结法：这种方法通常用于制备多孔陶瓷等材料。
通过控制烧结过程，可以使材料在烧结过程中形成多孔结构。
4. 冰冻法：这种方法通常用于制备多孔金属等材料。
通过控制冰冻和融化过程，可以使材料在冰冻过程中形成多孔结构。
5. 浸渍法：这种方法通常用于制备多孔碳等材料。
通过控制浸渍和碳化过程，可以使材料在浸渍过程中形成多孔结构。
以上只是一些常见的方法，实际上，三维多孔结构的形成机理可能会因材料的种类、合成方法和过程的差异而有所不同。
多孔材料力学性能数值模拟
在未来的研究中，我们建议从以下几个方面进行深入探讨：1）进一步完善 数学模型，考虑更多的物理效应和影响因素，提高模拟精度；2）研究不同类型 和不同应用场景下的分形多孔介质，拓展研究的普适性；3）利用先进的计算技 术和算法，提高数值模拟的效率；4）加强与实验和实际应用的结合，推动研究 成果的应用转化。总之，分形多孔介质内导热与流动数值模拟研究具有广阔的发 展前景，值得我们继续投入精力进行深入研究。
感谢观看
在分析实验数据的基础上，我们对数学模型进行了验证。模型中我们考虑了 分形多孔介质的复杂结构和非均匀性质，通过有限元法和有限差分法对模型进行 求解。数值模拟结果与实验结果在趋势上基本一致，但在具体数值上存在一定偏 差。这主要是由于数学模型中一些简化假设和实验过程中一些不确定性因素的影 响。
结论与展望
本次演示通过对分形多孔介质内导热与流动数值模拟的研究，取得了一些有 意义的成果。首先，通过对实验数据的分析，揭示了分形多孔介质内部导热系数 和扩散系数与孔隙率之间的关系，对于理解分形多孔介质内的传热和流动行为具 有重要的指导意义。
其次，通过建立数学模型和采用数值算法进行求解，实现了对分形多孔介质 内导热与流动的数值模拟，为进一步优化设计提供了依据。然而，本研究仍存在 一些不足之处，例如数学模型中的简化假设和实验过程中的不确定性因素等可能 导致结果的不够精确。
多孔材料力学性能数值模拟源自目录01 多孔材料力学性能的 数值模拟方法
03 参考内容
02
多孔材料的力学性能 特点
多孔材料力学性能的数值模拟方 法
本次演示旨在介绍多孔材料力学性能的数值模拟方法。多孔材料作为一种重 要的工程材料，在航空航天、生物医疗、建筑等领域得到了广泛的应用。其独特 的孔隙结构和优良的力学性能使其在众多领域中具有广泛的应用前景。为了更好 地理解和应用多孔材料，研究其力学性能以及相应的数值模拟方法显得尤为重要。
FLOW-3D多孔介质模型-渗流模型
Inertial Losses: Forchheimer’s Equation
• Inertial drag becomes significant when Rep exceeds 10 • Darcy’s Law can be extended to include inertial effects • Quadratic drag: Forchheimer’s Equation
Porous Media Flow
• Porous material characterized by: – Solid structure permeated by interconnected capillaries – May consist of fibers, particles, open pores • Two types of flow inside porous media – Saturated • Assumes media is already wet • If interface between fluid and air exists, treated as sharp – Unsaturated • Diffuse fluid/air interface - wicking • Hysteresis (filling/draining) effects • Two contributions to fluid drag in porous media – Viscous (Skin Drag) – Inertial (Form Drag)
Approaches to Modeling Porous Materials
Direct
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无序多孔碳材料微结构模拟研究进展_王庆波
Key words : porous carbons ; microst ructu re ; b asi c b uilding element ; mimet ic ; modeli ng
多孔碳材料在环保 、 能源等领域有十分重要的 应用 , 一直是个热门的研究领域 。 尽管人们很久 就开始对多孔碳材料的结构进行研究 , 但是 , 对于无 序多孔碳材料到目前为止还没有一个可以完全表征 所有特性的模型 。 早期 , 模拟多孔碳材料的结构多 采用狭缝孔模型 。 狭缝孔模型是用无限大的碳层平 面之间的间隔来表征碳孔 , 孔径的大小通过调整间 隔的大小来实现 。 这种模型至今仍被一些科研小组 和学者应用 。 随着计算机性能的不断提高 , 越来越 多的人借助分子模拟的手段 , 构筑更为真实的多孔 碳材料微结构模型[ 2] 。 通过建立较为真实的多孔碳 材料模型 , 可以借助计算机模拟的方法开展在实验 室条件下不能实现或者代价高昂的相关研究 。 从总 体上讲 , 多孔碳微结构的真实模拟 , 首先要得益于结 构表征技术的不断进步 , 尤其是高分辨率透射电子 显微镜( H RT EM ) 的进步 , 使人们从原子尺度考察 物质微观结构成为可能 。 此外够在较短的时间内完 成 , 也促进了如仿真过程模拟等分子模拟手段在多 孔碳材料微结构研究中的应用 。 多孔碳材料微结构的研究对人们研究吸附的机 理、 规律 , 以及流体在受限空间内的行为都有重要的 作用 , 而这些规律的认知对多孔碳材料在有害物质 吸附 、 能源存储等方面的应用有直接的指导作用 , 这 也是推动人们不断地探求更好的方法来模拟多孔碳 微结构的原因 。 本文所指的微结构是纳米尺度的多孔碳结构 。
[ 1]
Review of microstructure models for porous carbons
多孔介质 几何建模
多孔介质几何建模多孔介质是指由孔隙和固体相组成的材料，孔隙可以是连通的或者非连通的，而固体相则是填充在孔隙中的物质。
多孔介质在自然界和工程领域中都有广泛的应用，如石油储层、岩石、土壤和过滤材料等。
多孔介质的几何建模是研究多孔介质物理性质、流体运动和传质过程的重要手段。
几何建模主要包括孔隙形状、孔隙分布和孔隙大小等方面的描述。
其中一个重要的参数是孔隙率，它描述了多孔介质中孔隙的占据比例。
孔隙率越大，多孔介质的孔隙空间就越多，流体和溶质在其中的流动和传质能力也就越大。
多孔介质的几何建模方法主要有直接测量、间接测量和数学建模。
直接测量是指通过显微镜和扫描电镜等设备对多孔介质的形貌进行观察和测量，然后进行统计分析。
间接测量是通过测量多孔介质的宏观物理性质，如渗透率和压力梯度等，推断出多孔介质的几何形貌。
数学建模是使用数学方法描述多孔介质孔隙的形状、分布和大小等几何特征，常用的方法有随机几何模型、渗流模型和计算流体力学模型等。
随机几何模型是研究多孔介质几何结构的重要方法之一。
它假设多孔介质的孔隙是随机分布的，有各种各样的形状和大小。
随机几何模型可以用于描述孔隙的形状、分布和连通性等，常用的模型有泊松点过程模型和分形模型等。
渗流模型是研究多孔介质流体运动的重要方法之一。
它假设多孔介质中的流体是连续介质，根据流体力学和输运理论建立数学模型，描述流体在多孔介质中的运动规律。
渗流模型可以用于计算多孔介质中的流体速度、渗透率和压力等参数，常用的模型有达西定律模型和布里渊模型等。
计算流体力学模型是研究多孔介质流体运动和传质过程的高级方法。
它将多孔介质分割成小单元，利用数值方法求解流体力学和输运方程组，模拟多孔介质中的流动和传质过程。
计算流体力学模型可以用于预测多孔介质中的流体和溶质输运行为，常用的模型有有限元方法和格子玻尔兹曼方法等。
多孔介质的几何建模对于研究多孔介质的物理性质、流体运动和传质过程具有重要意义。
通过准确地描述多孔介质的几何特征，可以为多孔介质的应用和优化设计提供依据。
材料科学中的智能多孔材料设计
材料科学中的智能多孔材料设计随着材料科学的不断发展，越来越多的研究开始关注智能材料的开发和应用。
智能多孔材料是其中一种备受关注的材料。
它具有多种优秀的性能和应用前景，并且可以在不同领域中得到广泛应用。
本文将介绍智能多孔材料的特性和设计方法，并阐述智能多孔材料在不同领域中的应用。
一、智能多孔材料的特性智能多孔材料是一种具有响应性的材料，它可以根据所处环境的变化来改变其性能。
这种材料通常由多层或多孔结构组成，其中包含许多微小的空隙和通道。
这些通道和空隙可以与外界沟通，使材料的性质发生变化。
智能多孔材料的特点主要体现在以下几个方面。
1. 多功能性智能多孔材料能够对外界环境做出响应，并且根据应用需求改变其物理和化学性质。
它可以用来制备感应器、执行器等多种功能材料。
2. 可逆性智能多孔材料的物理和化学性质可以根据环境的变化而改变，并且这种变化是可逆的。
这种可逆性使得智能多孔材料在实际应用中具有更高的可控性和可重复性。
3. 多功能共存由于智能多孔材料具有多种性质和应用，所以它们可以同时执行不同的功能。
例如，在一些智能多孔材料中，通道内部可能存在电子、离子和分子的传递，并且这些传递可以与材料表面的响应相耦合。
4. 纳米级尺寸智能多孔材料的尺寸通常在几个纳米到几百纳米之间，因此具有较小的尺寸效应和高的比表面积。
这些特征为智能多孔材料的应用提供了广泛的前景。
二、智能多孔材料的设计方法为了获得所需的响应性能和多功能性，需要设计不同类型的智能多孔材料。
根据应用需求和材料制备工艺，智能多孔材料可以分为不同类型。
下面将分别介绍几种常见的智能多孔材料类型。
1. 智能纳米孔材料智能纳米孔材料是一种具有高表面积和可控孔径的材料。
它由固体基质和纳米孔道构成，并且纳米孔道的大小和形状可以通过控制制备条件来实现。
智能纳米孔材料具有响应环境变化的性能，例如，可在响应电场或磁场的情况下改变孔道大小。
2. 智能多孔金属材料智能多孔金属材料包括多层膜和多孔金属材料。
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2、正12面体空间排布
利用草图工具栏，绘制如右图所示的正12面体,他 的12个面都是由5边形组成，每个边之间的夹角为 108°与正4面体的夹角109 °十分接近。
利用扫掠按钮将每个边进行扫掠并且填充成实体，如下左图所示。再 以左图为基本元素用对称与平移按钮将，绘制下右图所示的模型，作 为多孔材料的一个基本单元。
再利用布尔操作以及矩形阵列完成下面右图的模型创建。左图是文献中多孔 材 料的模型。
结论：由于正12面体在空间不能紧密排布（它的中间总有一定的夹角
使其不能紧密排布），也就是说不能满足分析中的一个顶点4个方向的 思路，因此几何模型仍不完美，对后续的网格划分有很大的影响。
3、六面体的球切
以长方体为例，将长方体分为4个部分每个部分为一个正方体，并在个4 个部分中画球使其恰好多出每个面一部分而又不完全切透，如下图（左） 所示。同理画出4个球体并对其进行布尔操作得到下图（右）所示的结果。
4、14面体的空间排布
上面的方法2中正12面体在空间不能密排，通过资料的查询了解到14面体在 空间是可以密排的，也就是说14面体能够满足分析中的1个顶点4个方向的 条件。14面体是由4个大5边形的面（A）、 8个小5边形的面（B）和2个6边 形的面（C）组成的。
A
B
C
14面体的3个不同面的顶点空间坐标是由以下的公式确定的（α=
通过上述的顶点坐标确定14面体三个基本面的位置，并利用草图工具栏绘 制出14面体，如下左图。再利用对称以及草图工具栏完成14面体的空间排 布，如下右图。
从上右图中可以发现14面体在空间排布的时候 是有规律的，通过分析得出规律单元是由6个 14面体及两个5边形A组成的的12面体和两个5 边形B组成的12面体构成；其中6个14面体的中 两两一组他们的6边形面分别向着X、Y、Z3个 方向4个12面体填充他们之间的空隙。
正视图
右视图
上视图
等轴视图
3
2 ）：
6边形C： C1=（1 , 2-α ,α/2 ）=（1，0.74，0.63）； C2=（ 1 , 2-α ,-α/2 ）=（ 1，0.74，-0.63 ） ； C3=（ 1，0 ，-1）； C4=（1 ，-（2- α ） ，- α /2）=（1，-0.74，-0.63）； C5= （1 ，-（2- α ） ,α /2）=（1，-0.74,0.63）; C6=（1，0 ，1 ）．
多孔材料的画法
实际结构 几何模型
一、关于多孔材料画法的分析
镍的多孔结构
铝的多孔结构
镍铬合金的多孔结构
以上是实体的CT扫描结构图像，从图中可以发现：多孔结构的骨架其实是 一个顶点引出的4个向着不同方向的柱体。我们可以将其简化成半径相同的 圆柱体。只有4个方向的柱体才能补齐，使连接点能够完全填充。
比较一下4个方向和3个方向的不同：
将规律单元进行扫掠，扫掠成圆柱作为多孔结构的骨架；将扫掠形成的 规律单元进行3个方向的平移，完成14面体在空间的密排。
扫掠
平 移
将上述平移后的结构进行实体填充，完成后进行布尔操作得的结果如图：
填充实体
布尔操作后的结果
结论：对比4种方案，正4面体的重心与4个顶点的连线并不能在空间密排， 中间总是存在着一定的空隙这样就满足不了一个顶点4个方向的延伸这个条 件；同样的正12面体也不能在空间密排；6面体的球切虽然看起来很像是但 是它的一个顶点却是6个方向的延伸；而14面体既能在空间密排也能满足一 个顶点4个方向的延伸，因此14面的空间排布才是最好的方案。
将上述的4个方案逐一在CATIA中进行建模，对比4个模型选择最好的一种 方案。
1、正4面体
画出正4面体并且找到它的重心， 连接重心与4个顶点形成图形如右 图
正4面体
重心与4个顶点的连线
利用操作工具栏中的对称，将上图中的重心与4个顶 点的连线进行顺时针的对称，得到的图形如右图； 图中红色线框所示的位置并没有完全对接，因此在 扫掠生成实体的时候并不能完全充实，与分析中的 情况不符，所以这个方案不可行。
球Hale Waihona Puke 长方体布尔操作结果将上述的右图进行矩形阵列和布尔操作，得到下图（左）所示的几何模型 右图为其中的一部分单元。
局部放大
结论：这种方法可以通过改变球半径的大小来改变孔径的大下以及 骨架的粗细；得到的几何模型很规则，但是它与分析中的结果并不 相符，这个模型的一个顶点其实是有6个方向的延伸。如果用能在 空间密排的几何体做球切也许会更好。
大5边形A： A1=（0，- α /2， α ）=（0，-0.63，1.26）； A2=（0， α /2， α ）=（0，0.63，1.26） ； A3=（ α ，0， α /2）=（1.26，0，0.63）； A4=（2/3 α ，2/3 α ，2/3 α ）=（0.84，0.84，0.84）； A5=（2/3 α ，-2/3 α ，2/3 α ）=（0.84，-0.84，0.84）． 小5边形B： B1=（2/3 α -1 ，- 2 /3 α ，2-2/3α ）=（-0.16，0.84，1.16）； B2=（1-2/3 α ，2-2 /3 α ，2/3 α ）=（0.16，1.16，0.84） ； B3=（ 1，2- α ， α /2）=（1，0.74，0.63）； B4=（1 ，0 ，1 ）； B5=（α-1，0 ，2- α/2 ）=（0.26，0，1.37）．
放大图 有一定的缺陷，相接处并没有充实
放大图 接触处没有缺陷，已经完全充实
通过以上比较，选择一个顶点4个方向的骨架单元为多孔泡沫材料建模的方式。
二、关于多孔材料画法的思路
通过上述的分析，我选择了一个顶点4个方向的思路，怎么样才能产生一 个顶点4个方向的结构呢！首先是正4面体，其重心与4个顶点的连线不仅 能是4条线的长度相同也可以使它们之间的夹角相等；第二，正12面体的 空间排布；第三，6面体的球切；第四，14面体的空间排布。