В материаловедении пористая среда или пористый материал — это материал, содержащий поры (пустоты). [1] Скелетную часть материала часто называют «матрицей» или «рамкой». Поры обычно заполнены жидкостью ( жидкостью или газом ) . Скелетный материал обычно представляет собой твердый материал , но такие структуры, как пена, часто также полезно анализировать с использованием концепции пористой среды.
Пористая среда чаще всего характеризуется своей пористостью . Другие свойства среды (например , проницаемость , прочность на разрыв , электропроводность , извилистость ) иногда можно вывести из соответствующих свойств ее составляющих (твердой матрицы и жидкости), а также пористости среды и структуры пор, но такой вывод обычно является сложным. Даже концепция пористости понятна только для пороэластичной среды.
Часто и твердая матрица, и сеть пор (также известная как поровое пространство) являются непрерывными, образуя два взаимопроникающих континуума, как, например, в губке . Однако существует также понятие закрытой пористости и эффективной пористости , т.е. порового пространства, доступного для потока.
Многие природные вещества, такие как камни и почва (например, водоносные горизонты , нефтяные резервуары ), цеолиты , биологические ткани (например, кости, древесина, пробка ), а также искусственные материалы, такие как цемент и керамика, можно рассматривать как пористую среду. Многие из их важных свойств можно объяснить, только рассматривая их как пористую среду.
Понятие пористой среды используется во многих областях прикладной науки и техники: фильтрации , механике ( акустика , геомеханика , механика грунтов , механика горных пород ), технике ( нефтяная инженерия , биоремедиация , строительная инженерия ), наукам о Земле ( гидрогеология , нефтяная геология , геофизика) . ), биология и биофизика , материаловедение . Двумя важными текущими областями применения пористых материалов являются преобразование энергии и хранение энергии , где пористые материалы необходимы для супергенераторов, (фото) катализа , [2] топливных элементов , [3] и батарей .
Пористые среды можно классифицировать на микроскопическом и макроскопическом уровнях. В микроскопическом масштабе структура представлена статистически распределением размеров пор, степенью взаимосвязи и ориентации пор, долей мертвых пор и т. д. [4] Макроскопический метод использует объемные свойства , усредненные в масштабах. намного больше размера пор. [4] [5]
В зависимости от цели эти два метода часто используются, поскольку они дополняют друг друга. Очевидно, что микроскопическое описание необходимо для понимания поверхностных явлений, таких как адсорбция макромолекул из растворов полимеров и блокирование пор, тогда как макроскопический подход часто вполне достаточен для проектирования процессов, где поток жидкости , тепло и массоперенос имеют наибольшие значения. беспокойство. а размеры молекул существенно меньше размера пор пористой системы. [4] [6]
Течение жидкости через пористую среду является предметом общего интереса и стало отдельной областью исследований. Изучение более общего поведения пористых сред, связанное с деформацией твердого каркаса, называется поромеханикой .
Теория пористых потоков находит применение , среди прочего, в технологиях струйной печати [7] и утилизации ядерных отходов [8] .
На поток жидкости в пористой среде влияют многочисленные факторы, и его основная функция — расходовать энергию и создавать жидкость через ствол скважины. В механике течения через пористую среду наиболее важным вопросом становится связь энергии и скорости потока. Наиболее фундаментальным законом, характеризующим эту связь, является закон Дарси [9] , особенно применимый к мелкопористым средам. Напротив, закон Форхгеймера находит применение в контексте крупнопористых сред. [10]
Представление пустотной фазы, существующей внутри пористых материалов, с использованием набора или сети пор. Он служит структурной основой для прогнозирования параметров транспорта и используется в контексте характеристики поровой структуры. [11]
Существует множество идеализированных моделей поровых структур. Их можно условно разделить на три категории:
Пористые материалы часто имеют фрактальную структуру с площадью поверхности пор, которая, кажется, бесконечно растет, если смотреть с постепенно увеличивающимся разрешением. [12] Математически это описывается присвоением поверхности пор размера Хаусдорфа , превышающего 2. [13] Экспериментальные методы исследования поровых структур включают конфокальную микроскопию [14] и рентгеновскую томографию . [15] Пористые материалы нашли применение во многих областях техники, включая автомобильную промышленность. [16]
Одним из законов пористых материалов является обобщенный закон Мюррея . Обобщенный закон Мюррея основан на оптимизации массопереноса за счет минимизации транспортного сопротивления в порах заданного объема и может быть применим для оптимизации массопереноса, включающего изменение массы и химических реакций, включающих процессы течения, диффузию молекул или ионов. [17]
Для соединения родительской трубы с радиусом r 0 со многими дочерними трубами с радиусом r i формула обобщенного закона Мюррея имеет вид: , где X - коэффициент изменения массы при массопереносе в родительской поре, показатель степени α равен в зависимости от типа перевода. Для ламинарного течения α =3; для турбулентного течения α =7/3; для молекулярной или ионной диффузии α =2; и т. д.
