В материаловедении пористая среда или пористый материал — это материал, содержащий поры (пустоты). [1] Скелетную часть материала часто называют «матрицей» или « каркасом ». Поры обычно заполнены жидкостью или газом . Скелетный материал обычно является твердым телом , но структуры, такие как пены, часто также полезно анализировать с использованием концепции пористой среды.
Пористая среда чаще всего характеризуется ее пористостью . Другие свойства среды (например , проницаемость , прочность на разрыв , электропроводность , извилистость ) иногда могут быть выведены из соответствующих свойств ее компонентов (твердой матрицы и жидкости), пористости среды и структуры пор, но такой вывод обычно сложен. Даже понятие пористости является простым только для пороупругой среды.
Часто как твердая матрица, так и поровая сеть (также известная как поровое пространство) являются непрерывными, образуя два взаимопроникающих континуума, как в губке . Однако существует также понятие закрытой пористости и эффективной пористости , т. е. порового пространства, доступного для потока.
Многие природные вещества, такие как горные породы и почва (например, водоносные слои , нефтяные резервуары ), цеолиты , биологические ткани (например, кости, дерево, пробка ) и искусственные материалы, такие как цементы и керамика, можно рассматривать как пористые среды. Многие из их важных свойств можно рационализировать, только рассматривая их как пористые среды.
Концепция пористой среды используется во многих областях прикладной науки и техники: фильтрация , механика ( акустика , геомеханика , механика грунтов , механика горных пород ), инженерия ( нефтяная инженерия , биоремедиация , строительная инженерия ), геонауки ( гидрогеология , нефтяная геология , геофизика ), биология и биофизика , материаловедение . Две важные текущие области применения пористых материалов - это преобразование и хранение энергии , где пористые материалы необходимы для суперпаститоров, (фото-) катализа , [2] топливных элементов , [3] и аккумуляторов .
На микроскопическом и макроскопическом уровнях пористые среды можно классифицировать. В микроскопическом масштабе структура статистически представлена распределением размеров пор, степенью взаимосвязи и ориентации пор, долей мертвых пор и т. д. [4] Макроскопический метод использует объемные свойства , которые были усреднены в масштабах, намного превышающих размер пор. [4] [5]
В зависимости от цели эти два метода часто используются, поскольку они являются взаимодополняющими. Очевидно, что микроскопическое описание необходимо для понимания поверхностных явлений, таких как адсорбция макромолекул из полимерных растворов и блокировка пор, тогда как макроскопический подход часто вполне достаточен для проектирования процесса, где поток жидкости , тепло и массоперенос представляют наибольший интерес, а молекулярные размеры значительно меньше размера пор пористой системы. [4] [6]
Течение жидкости через пористые среды является предметом общего интереса и стало отдельной областью исследований. Изучение более общего поведения пористых сред, включающего деформацию 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 заключается в расходовании энергии и создании жидкости через ствол скважины. В механике потока через пористую среду связь между энергией и скоростью потока становится наиболее значимой проблемой. Наиболее фундаментальным законом, который характеризует эту связь, является закон Дарси [9] , особенно применимый к мелкопористым средам. Напротив, закон Форхгеймера находит применение в контексте крупнопористых сред. [10]
Представление пустотной фазы, которая существует внутри пористых материалов с использованием набора или сети пор. Она служит структурной основой для прогнозирования параметров переноса и используется в контексте характеристики структуры пор. [11]
Существует множество идеализированных моделей поровых структур. Их можно условно разделить на три категории:
Пористые материалы часто имеют фракталоподобную структуру, имеющую площадь поверхности пор, которая, кажется, растет бесконечно, если смотреть с постепенно увеличивающимся разрешением. [12] Математически это описывается путем присвоения поверхности пор размерности Хаусдорфа больше 2. [13] Экспериментальные методы исследования структур пор включают конфокальную микроскопию [14] и рентгеновскую томографию . [15] Пористые материалы нашли применение во многих областях техники, включая автомобильную промышленность. [16]
Одним из законов для пористых материалов является обобщенный закон Мюррея . Обобщенный закон Мюррея основан на оптимизации массопереноса путем минимизации сопротивления транспорту в порах с заданным объемом и может быть применим для оптимизации массопереноса, включающего изменения массы и химические реакции, включающие процессы потока, диффузию молекул или ионов. [17]
Для соединения основной трубы с радиусом r 0 со многими дочерними трубами с радиусом r i формула обобщенного закона Мюррея имеет вид: , где X — отношение изменения массы при массопереносе в основной поре, показатель степени α зависит от типа переноса. Для ламинарного течения α = 3; для турбулентного течения α = 7/3; для молекулярной или ионной диффузии α = 2; и т.д.
