ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΑΝΑΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΟΡΩΔΩΝ

Transcript

1 ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΑΝΑΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΟΡΩΔΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Μ. Γ. Πολίτης 1, 2, Ε. Σ. Κικκινίδης 1, 2, Μ. Ε. Καινουργιάκης 3 και Α. Κ. Στούμπος 3 1 Εργαστήριο Ανόργανων Υλικών, Ινστιτούτο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών, Εθνικό Κέντρο Έρευνας και Τεχνολογικής Ανάπτυξης, Τ.Θ , Θεσσαλονίκη. 2 Πανεπιστήμιο Δυτικής Μακεδονίας, Τμήμα Μηχανικών Διαχείρισης Ενεργειακών Πόρων, Μπακόλα & Σιαλβέρα, Κοζάνη. 3 Εργαστήριο Πυρηνικής Τεχνολογίας και Ακτινοπροστασίας Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. ΔΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Αγία Παρασκευή Αττικής ΠΕΡΙΛΗΨΗ Παρουσιάζουμε μια νέα, υβριδική μέθοδο τρισδιάστατης ψηφιακής ανακατασκευής πορωδών υλικών που συνδυάζει τη στοχαστική μέθοδο της εξομοιούμενης ανόπτησης (simulated annealing) και τεχνικές που προσομοιάζουν αριθμητικά τις διεργασίες παρασκευής του υλικού. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΚΑΙ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η υβριδική μέθοδος ξεκινάει με τη δημιουργία ενός ιδεατού υλικού από μια διεργασία όπως η τυχαία συσσώρευση σφαιρών (αλγόριθμος βαλλιστικής εναπόθεσης) [1] και πορώδες ίσο με αυτό του υλικού που θέλουμε να ανακατασκευάσουμε. Στη συνέχεια εφαρμόζουμε τον στοχαστικό αλγόριθμο της εξομοιούμενης ανόπτησης (simulated annealing, S.A.) [2, 3] με τον οποίο προσεγγίζονται οι στατιστικές πληροφορίες που έχουν υπολογιστεί από μικροφωτογραφίες ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM). Στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν ως στατιστικά κριτήρια το πορώδες και η συνάρτηση αυτοσυσχέτισης δύο σημείων, R z (u) [3]. Η μέθοδος δοκιμάστηκε με την σύγκριση (Πίνακας 1) της κατά Darcy διαπερατότητας μεταξύ πειραματικών δεδομένων και αριθμητικά υπολογισμένων τιμών που προκύπτουν από την επίλυση των εξισώσεων Stokes και συνέχειας για την ιξώδη ροή αέρα στις ανακατασκευασμένες δομές, [4]. Επίσης υπολογίστηκε η διαπερατότητα βάση της σχέσης Kozeny-Carman, εξ. 1, και πειραματικών μετρήσεων ποροσιμετρίας. Η υβριδική μέθοδος συγκρίθηκε επίσης με την παραδοσιακή S.A. ξεκινώντας με μια πλήρως τυχαία αρχική δομή. Μελετήθηκαν δύο υλικά [2]: πυροσσυσωματωμένο καρβίδιο του πυριτίου (SiC) (πορώδες, ε = 0,402 και μέση διάμετρο πόρων D = 10,2 μm) και την κεραμικόμεταλλική άνοδο κυψελίδων καυσίμου στερεού ηλεκτρολύτη (Ni-YSZ), με πορώδες ε = 0,4 και μέση διάμετρο πόρων D = 0,9 μm (δεδομένα ποροσιμετρίας υδραργύρου). 2 3 D ε k = 2 (1) 180 (1 ε ) Όπου k η διαπερατότητα (m 2 ), ε το πορώδες και D (m) η μέση διάμετρος. R z(u) u (μm) Σχήμα 1. Ψηφιοποιημένη SEM εικόνα και συνάρτηση αυτοσυσχέτισης δύο σημείων του SiC. ( pixel, 1 pixel = 1,428 μm. Η κλίμακα είναι 100-μm.) 78

2 Ni- YSZ (α) δομή τυχαίας συσσώρευσης σφαιρών (ε) πλήρως τυχαία δομή (β) βήμα 25 (ζ) βήμα 83 (γ) βήμα 70 (η) βήμα 110 (δ) Τελική δομή, βήμα (θ) Τελική δομή, βήμα Σχήμα 2. Στάδια της ανακατασκευής για το SiC. Οι διαστάσεις των εικόνων είναι ψηφίδες. (με άσπρο συμβολίζεται το στερεό). Πίνακας 1. Σύγκριση αποτελεσμάτων. Η διαπερατότητα Kozeny-Carman υπολογίζεται από την Εξ.1. Διαπερατότητα (m 2 ) Kozeny- Carman Πείραμα Προσομοίωση Υβριδική S.A. μόνο 8, , , , SiC 1, , , , ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η σύγκριση των αποτελεσμάτων διαπερατότητας δείχνει ότι η υβριδική μέθοδος παρουσιάζει πολύ καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Σε σχέση με την παραδοσιακή SA, o υπολογιστικός χρόνος είναι μικρότερος, όπως φαίνεται και από τα συνολικά βήματα που απαιτούνται για να φτάσουμε στην τελική δομή (Σχήμα 2). Η μέθοδος μπορεί να επεκταθεί με την χρήση επιπλέον στατιστικών ιδιοτήτων, υπολογισμένων από την ανάλυση μικροφωτογραφιών SEM (π.χ. η συνάρτησης μήκους χορδής). Ξεκινώντας τον στοχαστικό αλγόριθμο S.A. με μια δομή που αντανακλά τις διεργασίες παρασκευής του υλικού περιορίζεται το πλήθος των αποδεκτών λύσεων (και άρα δομών), εστιάζοντας την τελική επιλογή έτσι ώστε να περιλαμβάνονται επιπλέον μακρινές συσχετίσεις του υλικού. Αυτή η παραδοχή ενέχει και περιορισμό στην εφαρμογή της μεθόδου σε υλικά για τα οποία υπάρχουν σαφείς πληροφορίες του τρόπου σύνθεσης τους ώστε να αναζητηθεί μια όσο το δυνατόν ακριβής αριθμητική αναπαραγωγή τους. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. M.E. Kainourgiakis, E.S. Kikkinides, Th.A. Steriotis, A.K. Stubos; K.P. Tzevelekos, N.K. Kanellopoulos, J. Colloid Interface Sci., (2000). 2. M. G. Politis, E.S. Kikkinides, M. E. Kainourgiakis, A. K. Stubos, Micropor. Mesopor. Mater., αποδεκτό προς δημοσίευση. 3. S. Torquato, Random Heterogeneous Materials: Microstructure and Macroscopic Properties, Springer-Verlag: New York, E.S. Kikkinides and V.N. Burganos, Phys. Rev. E (1999). 79

3 ΜΑΚΡΟΠΟΡΩΔΕΙΣ ΠΕΡΟΒΣΚΙΤΙΚΕΣ ΜΕΤΑΛΛΟΚΕΡΑΜΙΚΕΣ ΔΟΜΕΣ Α. Μιχαλάκης, Κ. Ανδρεούλη, Κ.Ι. Στουρνάρας, Β.Ν. Σταθόπουλος ΗΛΕΚΤΡΟΧΗΜΙΚΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΑΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ ΔΟΜΩΝ ΣΤΟ Si ΓΙΑ ΦΩΤΟΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΜΕΣΩ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΑΥΤΟΟΡΓΑΝΟΥΜΕΝΗΣ ΠΟΡΩΔΟΥΣ ΑΛΟΥΜΙΝΑΣ Φ. Ζαχαράτος, Β. Γιαννέτα, Α.Γ. Νασιοπούλου ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΔΙΑΤΕΤΑΓΜΕΝΩΝ ΝΑΝΟΝΗΣΙΔΩΝ SiO 2 ΣΕ ΕΠΙΛΕΓΜΕΝΕΣ ΠΕΡΙΟΧΕΣ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ Si ΜΕΣΩ ΛΕΠΤΩΝ ΥΜΕΝΙΩΝ ΑΥΤΟΟΡΓΑΝΟΥΜΕΝΗΣ ΠΟΡΩΔΟΥΣ ΑΛΟΥΜΙΝΑΣ Β. Γιαννέτα, Α.Γ. Νασιοπούλου ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΑΦΡΩΝ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΠΟΡΩΔΟΥΣ ΚΑΙ ΑΞΙΟΛΟΓΗΣΗ ΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΤΟΥΣ H. Omar, Ν. Παπαναστασίου, Π. Ψυλλάκη, Σ.Α. Τσιπά, Ν. Μιχαηλίδης, Δ.Ν. Τσιπάς ΜΕΛΕΤΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΑΦΡΩΝ ΑΝΟΙΧΤΟΥ ΚΕΛΙΟΥ Ν. Μιχαηλίδης,Φ. Στεργιούδη, Ο. Χαϊντάρ, Δ.Ν. Τσιπάς ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΟΥ ΑΝΘΡΑΚΑ ΑΠΟ ΦΛΟΙΟ ΡΥΖΙΟΥ Δ. Καλδέρης, Δ. Κουτουλάκης, Π. Παρασκευά, Ε. Διαμαντόπουλος ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΙΣΟΘΕΡΜΩΝ ΠΡΟΣΡΟΦΗΣΗΣ ΜΕ ΘΕΩΡΗΤΙΚΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ MONTE CARLO ΓΙΑ ΤΟ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟ ΝΑΝΟΠΟΡΩΔΩΝ ΑΝΘΡΑΚΩΝ Μ. Κωνσταντάκου, Θ.Α. Στεριώτης, Μ. Καινουργιάκης, Γ.Κ. Παπαδόπουλος, Ε.Σ. Κικκινίδης, Α.Κ. Στούμπος INNOVATIVE NANOPOROUS CARBON CONSTRUCTIONS AUGMENT HYDROGEN STORAGE G.K. Dimitrakakis, E. Tylianakis, G. E. Froudakis ΡΟΗ ΚΑΙ ΔΙΑΧΥΣΗ ΑΕΡΙΩΝ ΣΕ ΠΟΡΩΔΗ ΥΛΙΚΑ ΥΠΟ ΣΥΝΘΗΚΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΡΑΙΩΣΗΣ Α.Ν. Καλαράκης, Β.Μ. Μιχάλης, Ε.Δ. Σκούρας, Β.Ν. Μπουργανός ΥΒΡΙΔΙΚΗ ΜΕΘΟΔΟΣ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΑΝΑΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΠΟΡΩΔΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Μ.Γ. Πολίτης, Ε.Σ. Κικκινίδης, Μ.Ε. Καινουργιάκης, Α.Κ. Στούμπος ΣΥΝΘΕΣΗ ΚΑΙ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΒΙΟΕΝΕΡΓΩΝ ΥΑΛΩΝ ΠΟΥ ΠΕΡΙΕΧΟΥΝ ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙA Μ. Μπαϊκούση, Ι. Παναγιωτόπουλος, Α. Αγαθόπουλος, Μ. Λουλούδη, Μ.Α. Καρακασίδης ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΚΙΝΗΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΡΙΖΑΣ ΤΗΣ ΤΥΡΟΣΙΝΗΣ ΣΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ ΜΟΝΟΥ ΤΟΙΧΩΜΑΤΟΣ Θ. Τσούφης, Α. Αμπουμόγλι, L. Jankovic, Δ. Γουρνής, Β. Γεωργακίλας, Κ. Χριστοφορίδης, Ι. Δεληγιαννάκης, Α. Μαυραντωνάκης, Γ. Φρουδάκης ΑΚΙΝΗΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΕΝΖΥΜΟΥ ΟΞΕΙΔΑΣΗ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ ΣΕ SILICA MCM- 41 Δ. Στεφανάκης, Δ. Γανωτάκης ΥΒΡΙΔΙΚΟΙ ΒΙΟΚΑΤΑΛΥΤΕΣ ΜΕΣΩ ΤΗΣ ΑΚΙΝΗΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΛΙΠΑΣΗΣ Β ΑΠΟ Candida antarctica ΣΕ ΦΥΛΛΟΜΟΡΦΟΥΣ ΑΡΓΙΛΟΥΣ Α.Α. Τζιάλλα, Ε. Διακάκη, Α. Νικολάκη, Ε. Καλογερής, Ali.A. Taha, Δ. Γουρνής, Χ. Σταμάτης iii

4 3 ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΣΥΜΠΟΣΙΟ ΠΟΡΩΔΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΒΙΒΛΙΟ ΠΕΡΙΛΗΨΕΩΝ ΕΘΝΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ ΕΡΕΥΝΑΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ, 1-2 ΝΟΕΜΒΡΙΟΥ 2007 Ινστιτούτο Τεχνικής Χημικών Διεργασιών ΕΚΕΤΑ Συνδιοργάνωση: Τμήμα Χημείας ΑΠΘ

5