Simulation der Morphologieausbildung von offenporigen Materialien

开孔材料形貌形成的模拟

• 批准号: 81589419
• 负责人: Professor Dr.-Ing. Ulrich Nieken
• 金额: --
• 依托单位: Institut für Chemische Verfahrenstechnik (ICVT)
• 依托单位国家: 德国
• 项目类别: Research Grants
• 财政年份: 2009
• 资助国家: 德国
• 起止时间: 2008-12-31 至 2010-12-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://gepris.dfg.de/gepris/projekt/81589419?language=en
• 关键词: Simulation; der; Morphologieausbildung; von; offenporigen

Offenporige Materialien sind in der Verfahrenstechnik weit verbreitet. So werden für katalytische und adsorptive Prozesse hohe innere Oberflächen mit entsprechender Zugänglichkeit benötigt, oder die Porenstruktur dient der selektiven Trennung aufgrund sterischer Effekte oder aufgrund von Oberflächenkräften. Ein bekanntes Beispiel sind Hohlfasermembranen für künstliche Nieren.Für die Herstellung poröser Strukturen existiert eine Vielzahl von Techniken. Die Entwicklung eines Herstellungsprozesses für offenporige Materialien beruht allerdings fast ausschließlich auf experimentellen Erfahrungswerten und empirischen Korrelationen. Eine modellbasierte Unterstützung des Herstellprozesses durch Vorhersage der Struktureigenschaften des Materials wäre wünschenswert, jedoch erweisen sich derartige Simulationen als anspruchsvoll. Die Morphologiebildung ist gekennzeichnet durch große Materialverformung, hohen Dichteunterschied zwischen Poren und Festkörpermatrix, Frakturen von dünnen Stegen zwischen Hohlräumen, der Bildung von freien Oberflächen und der Entstehung von komplexen Geometrien.Während gitterbasierte Simulationsmethoden auf vielen Gebieten mit Erfolg eingesetzt werden, ist ihre Anwendung auf die Herstellung von porösen Strukturen nur sehr eingeschränkt möglich. Dies liegt an der komplexen Geometrie und der Bildung von freien Oberflächen, welche sehr rechenintensiv ist. Daher schlagen wir den Einsatz von gitterfreien Methoden („Partikelsimulationen“) vor, um eine Simulationsumgebung für die quantitative Beschreibung der Strukturausbildung von offenporigen Materialen zu entwickeln. Unsere Voruntersuchungen mit der Discrete-Element-Methode (DEM) zeigen die prinzipielle Anwendbarkeit von Partikelsimulationen, allerdings können die verwendeten Partikelinteraktionsmodelle nicht in kanonischer Form aus der Kontinuumsmechanik hergeleitet werden. Diesen Nachteil weisen Methoden wie „Smoothed Particle Hydrodynamics“ (SPH) und „Moving Particle Semi-implicit“ (MPS) nicht auf und sollen daher die Grundlage für unser Projekt bilden. Vorarbeiten mit der MPS-Methode sind viel versprechend. Das Projekt gliedert sich in zwei Antragsperioden. In der ersten Periode (2 Jahre) werden die notwendigen Modellbausteine zur Simulation der Strukturausbildung anhand von zwei Beispielen entwickelt. Das erste Beispiel behandelt die Porenstrukturgenerierung in einer viskoplastischen Polymermatrix mit Hilfe eines Treibmittels/Porenbildners. Dazu liegen am Institut bereits experimentelle Erfahrungen vor. Im zweiten Testfall soll die Mehrphasenströmung in der Gasdiffusionsschicht einer Brennstoffzelle simuliert werden. Auch hier existiert ein Bezug zu laufenden experimentellen Arbeiten. Sobald die für die Porenbildung relevanten physikalischen und chemischen Prozesse implementiert und getestet sind, kann die Simulationsmethode auf Herstellungsverfahren für poröse Membranen, Fasern und nano-poröse Materialien angewendet werden. Zusammen mit einer Erweiterung und eventuellen Parallelisierung des Codes, soll dies die Aufgaben für die zweite Antragsperiodedarstellen.

材料犯罪在交通运输技术中是非常重要的。因此，韦尔登为催化剂和吸附剂提供了一种内部的Oberflächen mit entsprechender Zugänglichkeit benötigt，或用于选择性地提高Oberflächenkräften的灭菌效果或提高Oberflächenkräften的孔隙结构。Ein bekanntes Beispiel sind Hohlfasermembranen für künstliche Nieren.Für die Herstellung poröser Strukturen approtiert eine Vielzahl von Techniken. Die Entwicklung eines Herstellungsprozesses für offenporige Materialien beruht allerdings fast ausschließlich auf experimentellen Erfahrungswerten und empirischen Correlationen.一个基于材料结构分析的Herstellprozesses模型是很好的，但也需要进行模拟。Morphologiebildung is gekennzeichnet durch große Materialverformung，hohen Dichteunterschied zwischen Poren und Festkörpermatrix，Frakturen von dünnen Stegen zwischen Hohlräumen，der Bildung von freien Oberflächen und der Entstehung von komplexen Geometrien.Während gitterbasierte Simulationsmethoden auf vielen Gebieten mit Erfolg eingesetzt韦尔登，ist ihre Anwendung auf die Herstellung von porösen Strukturen努尔sehr eingeschränkt möglich. Dies liegt an der komplexen Geometrie und der Bildung von freien Oberflächen，welche sehr rechenintensiv ist. Daher schlagen wir den Einspiration von gitterfreien Methoden（“Partikelsimulationen”）vor，um eine Simulationsumgebung für die quantitative Beschreibung der Strukturausbildung von offenporigen Materialen zu entwickeln.本文采用离散元法（DEM）建立了分区模拟的基本原理，使得分区交互模型不能以连续力学的形式韦尔登。本文采用“光滑粒子流体动力学”（SPH）和“移动粒子半隐式”（MPS）的方法，并不完全适用于工程设计。用MPS方法进行试验是非常有效的。这个项目在两个星期内完成。在第一阶段（2年），韦尔登提出了一个新的结构模拟模型。第一种方法是在一种粘性聚合物基体中用三种树脂/多孔材料制造多孔结构。大足是研究所的实验基地。在第二次测试中，气体扩散的速度是一个类似韦尔登的速度。也有一个很好的实验室。为了实现和测试相关的物理和化学过程，可以采用多孔膜、纳米多孔材料和纳米多孔材料的模拟方法。Zusammen mit einer Erweiterung und eventuellen delisierung des Codes，soll dies die Aufgaben für die zweite Antragsperiodedarstellen.