[发明专利]对材料微结构进行建模和仿真

说明书

实施例生成材料的基于计算机的模型(例如，计算机辅助设计(CAD)模型)。一种这样的实施例选择表示材料的单元的模型的至少一个部分。进而，基于对模型的选定的至少一个部分提出的修改和对表示材料的单元的模型的其余部分提出的修改来估计模型的至少一个物理或化学属性。迭代该选择和估计，直到估计出的至少一个物理或化学属性符合该至少一个物理或化学属性的用户规范为止。以这种方式，这样的实施例创建符合用户指定的物理和化学属性的主题材料的模型。

相关申请

本申请要求享有于2020年10月8日提交的美国临时申请第63/089,087号的权益。上述申请的全部教导通过引用并入本文。

背景技术

用于生成材料微结构的模型并且对其进行仿真的现有方法具有两种通常的变型：宏观尺度(macroscale)建模和中尺度(mesoscale)建模。对于宏观尺度建模，元素在离散的仿真框中被定义为“材料”或者非“材料”。这种宏观尺度建模提供了一种说明宏观尺度模型中的微结构的方式。中尺度建模利用不同大小的球形颗粒填充仿真单元(simulationcell)并且提供中型结构化的近似。然而，利用中尺度建模，该模型最终仅具有球形颗粒。这是一种重要的近似。宏观尺度和中尺度方法两者产生了理想化的结构，而这些结构通常不能表示真实世界的材料和这些材料的衍生属性。存在用于生成多微孔(microporous)结构模型的原子方法，但在原子级别，可处理的系统大小和时间尺度是有限的。

发明内容

因此，需要用于对材料的微结构进行准确的建模和仿真的功能。实施例提供了这样的功能。本发明的实施例提供了用于生成针对材料的多孔微结构(porousmicrostructure)的在化学和物理上现实的计算机模型的高效方法。这对于改进以纳米尺度及更大尺度对材料性能的仿真是有用的。可以实现实施例以对电池电极进行建模和仿真，以及其他示例。此外，实施例可以被部署用于对在纳米尺度上多孔的任何材料(例如，涂层、复合材料、配方产品、增强的油回收和催化，以及其他示例)进行建模和仿真。在实施例中，在生成模型之后，可以部署生成的模型以对该模型表示的材料的真实世界使用进行仿真。在示例实施例中，构建的模型根据本领域技术人员已知的原理用于仿真。

实施例也可以用于对由多于一种材料组成的真实世界材料结构(例如，具有表面涂层或异质结构的材料，以及其他示例)进行更好的建模和仿真。

示例实施例提供了一种计算方法，该计算方法执行迭代和随机过程以获得材料的微结构的现实的计算机模型。这样的实施例开始于表示要被建模材料的三维(3D)重复单元的空框，并且随机选择该框的一个或多个小部分(步骤1)。接下来，利用表示具有预定密度的材料的珠子(bead)来填充该框的随机选定的部分(步骤2)。然后，计算所得到的模型的物理特性，例如，孔隙率(porosity，固体百分比和流体百分比)和曲率(tortuosity)(步骤3)。取决于计算出的物理特性，使用步骤1的结果，并且随机选择框的一个或多个新的部分以表示材料并且利用珠子来填充这些部分(重复步骤1和步骤2)。重复该过程，直到实现期望的物理特性为止。可以通过重复上面的过程来生成不同的模型，以便得到具有期望的物理特性的多孔材料的最终统计平均模型(即，对于非限制性示例，该模型与真实世界已知的材料特性相一致)。

在标识出合适的设计之后，替代实施例迭代步骤1和步骤3，并且执行步骤2，从而创建实际模型。在这样的实施例中，随机选择框的一个或多个小部分(步骤1)。进而，估计模型的物理属性，在该模型中，选定的部分被假设填充有固体并且未被选定的区域被假设填充有流体(例如，气体和/或液体)。如果估计出的物理属性符合期望的物理属性(感兴趣的物理属性)，则该方法继续(将选定的部分与珠子进行关联或以其他方式利用珠子来填充选定的部分)并且创建模型。如果期望的物理属性不满足期望的标准，则重复该过程。