通过模拟的物质表征

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经过BojanJokanović

客人
2020年3月10日

SGL Carbon GmbH的客座博客BojanJokanović讨论了基于光学显微镜图像的材料结构分析的模拟利用。

众所周知,材料的特性很大程度上取决于其结构。材料微观结构通常包含两个或多个具有实质特性的阶段。Each production step may leave its marks in the material structure in the form of the shape and volume fraction of pores, orientation and size of inclusions, etc. That’s why quantitative structure characterization is important for the evaluation of the material properties and its performance in the intended applications.

合成石墨:一种有用且复杂的材料

SGL碳作为一家在开发和生产碳解决方案的世界领先的公司,为许多行业提供了产品和解决方案,包括太阳能,半导体,汽车制造,陶瓷和冶金。乐动体育app无法登录我们的许多解决方案都是基于合成专业石墨。合成石墨具有较高的热和电导率,惰性气氛中的高温稳定性以及较高的化学电阻率 - 因此,它们广泛用于涉及高温和侵略性化学环境的应用中。

等静力 - 细粒石墨的子类(图1)具有最好的结构,也是所有人工石墨的最同等形式。它通常用于其他石墨的机械性能不足的应用。

类型的等法压力石墨的照片。
图1.Sigrafine®类型(SGL Carbon SE的注册商标)的等静压石墨。

这种类型的石墨的精细结构使定量光学分析变得复杂,并且只有通过现代数字图像技术的应用(包括模拟)才有可能区分不同的材料质量。

分析具有模拟的等静压石墨材料

在我们的工作中,我们使用了光学显微镜图像(图2),因为可以在短时间内获得大量这些数据。过去(例如,B。Jokanović,2019年Comsol会议上的主题演讲),我们表明,使用CT扫描的3D乐动滚球app下载图像可以进行更详细的分析。但是,对3D图像的分析需要大量资源,尤其是广泛的随机访问存储器,也需要大量的扫描,建模和仿真努力,这限制了可以分析的样本量。

通过光学显微镜生成的等静力石墨图像。
图2.等静压石墨的光学显微镜图像。

根据这两个阶段的直方图差,将2D图像分割为空隙和固相。因此,将图像导入到comsolMultiphysics®软件中(图3),并且使用狭窄过渡的步骤函数将材料分为两个独特的相位。将网格尺寸调整为像素大小,以正确地包含相位。

导入comsol多物理学的石墨的2D显微镜图像。
图3.在comsol多物理学中导入的图像,包含固体(红色)和空隙(蓝色)之间的连续阶段。使用尖锐的步长函数,可以消除过渡阶段。

使用扩散方程,可以确定均质的材料特性。由于2D图像中的空隙相是不连续的,要确定通过空隙相的传输特性,因此必须假定固相的较小的正电导率值。在这种情况下,比毛孔小的一百万倍。

编者注:我们详细描述了如何操纵二进制图像以计算有效的渗透率和孔隙率孔尺度流量模型

图4显示了两种具有相等孔隙率的材料,但通过孔的气体扩散率差异为35%。显然,在具有大量气体腐蚀的应用中,对于石墨非常常见,这可能是材料稳定性的限制因素。

多孔材料的样品。
具有低气体扩散率的多孔材料样品。

多孔材料中气体浓度的图像。
多孔样品中较低气体浓度的图像。

材料的气体浓度图像,范围从零到一。
图像显示具有低气体扩散率的多孔材料样品中气体浓度的范围。

图4.右样品的密度与左样品的密度大致相同,但气体扩散率低35%。颜色代表气体浓度(零至1)。

通过应用Livelink™为了MATLAB®,该过程是自动化的,因此可以轻松地进口和分析数千个图像。

重要的是物理学也可以互换,因此该模型可以轻松切换到弹性行为,导热性和电导率等的计算。因此,可以确定预期应用的所有相关属性,并对样品进行评分。根据模拟结果来自同一家庭。

仅在一个方向上计算传输,可以评估样品的各向异性(图5)。在我们的情况下,空隙相的各向异性远高于固相的各向异性(图6),因此在某些应用中,石墨碎片的方向对于材料的寿命可能很重要。同样,这些材料典型的密度变化很小,可能会极大地影响材料的渗透性和扩散率。

沿水平方向通过空隙传输的潜在场图。
沿垂直方向通过空隙传输的潜在场的图像。

图5.通过水平(a)和垂直(b)方向的空隙传输的潜在场。

比较固体和空隙相的各向异性因子的图。
图6.固体和空隙相的各向异性因子。

与具有不同处理历史的样品之间的差异相比,来自附近位置的样品之间的差异相当小,因此图像可以被视为某种材料的代表性。

与现代设备齐全的实验室一起,我们建立了一个完整的流程,我们用于内部材料分析以及商业提供给我们的客户(图7)。

SGL碳使用的流程图对碳基产品进行材料表征。乐动体育app无法登录
图7.内部使用和商业提供的材料分析的流程图。

关于作者

BojanJokanović担任高级专家,在SGL碳在德国米丁根(Meitingen)的公司。他在德国技术大学获得博士学位,从事碳纤维陶瓷氧化的建模。他的研究领域包括过程建模和优化,新测量技术和工具的开发以及材料的数字表征。除此之外,他在运营研究领域拥有丰富的经验。


评论(6)

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布塔说
布塔说
2020年3月10日

嗨,博扬,
comsol允许模拟真实图像是很好的,如果我们有一系列材料的图像序列,例如通过微观图获得的材料,是否有可能导入到comsol中,并且如果可能的话进行模拟?

Bojan Jokanovic
Bojan Jokanovic
2020年3月11日

嗨,说,
可以将3D图像导入comsol。根据材料的复杂性,可能很难计算出复杂的物理学。为了简单起见,只要有足够的RAM可用,它就可以正常工作。例如,可以在一分钟或几分钟内计算出1000万道摩和清液的稳态良好问题。但是,准备模型肯定更困难,因此完整的自动化更具挑战性。如果您有一些某些问题,则可以直接与我们联系。

乔尔·谢尔(Joel Shor)
乔尔·谢尔(Joel Shor)
2020年3月27日

嗨,Bojan,我是否了解您可以对等式样品横截面进行显微照片,并带有COMSOL计算准确的属性,例如导热率和拉伸强度?预测和数据比较的程度如何?谢谢,
乔尔

伊曼纽尔·辛尼(Emmanuel Cini)
伊曼纽尔·辛尼(Emmanuel Cini)
2020年4月1日

嗨,博扬,
除了乔尔·谢尔(Joel Shor)的问题外,我猜想“为固相假定的小积极电导率[…]可能会影响计算出的和实验性能之间的比较。
您是否执行任何灵敏度分析(图像处理参数的影响,例如,网格像素大小调整,固相的虚拟电导率……)对数值模拟使用物理测量的数据的质量/一致性进行了质量/一致?
问候。
伊曼纽尔。

Bojan Jokanovic
Bojan Jokanovic
2020年4月1日

嗨,伊曼纽尔和乔尔,
感谢您对我的研究的兴趣。您问了类似的问题,所以我将尝试通过一篇文章回答您的两个问题…
去年,我们通过我们的实验室测量结果测试了CT扫描的属性,并达成了良好的一致性,尤其是对于较大的体积,结构良好。在这项研究中,我们专注于来自非常相似的生产条件的样品之间的相对差异。2D和3D的结果之间存在差异,但是趋势是相同的,这简化了分析,因为无需测试3D扫描的Thousend,这可能需要很长时间。关于灵敏度,我们希望具有良好的分离相,该相位将使用粗糙的网格人为地匀浆。根据该物业的敏感性,这可能会产生很大的作用。关于固相的虚拟电导率……假设您将零设置为零……显然,因为孔在2D图像中没有互连(与3D相反),您将没有流动,这意味着总电导率为零。因此,有必要设置小的正值(对于所有样品相同的样品)才能获得身体上正确的结果。不计算拉伸强度,而仅计算刚度,因为拉伸强度更多地取决于样品的大小,我们还处理了小样品。我希望这回答了你的问题。
问候,
Bojan

Yanbin He
Yanbin He
2021年5月17日

嗨,博扬,

您可以分享演示模型吗?

一切顺利

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