来自西格里碳素（SGL Carbon）公司的特邀博主 Bojan Jokanović 介绍了如何基于光学显微镜图像对材料结构进行仿真分析。
众所周知，材料的特性很大程度上取决于其结构。材料微观组织通常包含性质不同的两个或更多的相。材料生产中的每个步骤都可能在材料结构上留下痕迹，如孔的形状和体积分数，夹杂物的取向和大小等。因此，定量结构的表征对于评估材料的特性及其在实际应用中的性能至关重要。
西格里碳素（SGL Carbon）公司是一家开发和生产碳基解决方案的世界领先公司，为包括太阳能、半导体、汽车制造、陶瓷和冶金在内的许多行业提供产品和解决方案。该公司的大多数解决方案均基于合成特种石墨。合成石墨是一种具有高导热性和导电性、惰性气体中的高温稳定性，以及优异的电化学惰性的材料，因此被广泛应用于高温和腐蚀性化学环境。
在所有的合成石墨种类中，等静压细晶粒石墨（图1）的结构最精细并且均质性（各向同性）最好，常被用于对力学性能要求较高的应用。
等静压类石墨因其具有复杂、精细的结构而难以进行定量光学分析，只有通过现代图像技术（包括仿真），才有可能区分不同的材质。
在研究中使用光学显微镜图像（图2）快速获取了大量所需数据。在 2019 年COMSOL 用户年会（剑桥站）的主题演讲中，我们向大家展示了使用 CT 扫描的 3D 图像可以进行更详细的分析。但是，对 3D 图像进行分析需要大量的计算资源，尤其是大量随机存取存储器，并且还需要大量的扫描、建模和仿真工作，这导致可以用于分析的样本数量非常有限。
我们基于石墨材料两个相的直方图数值差异，将 2D 图像分为孔隙相和固相后，再导入 COMSOL Multiphysics® 软件（图3）中，并使用具有窄过渡的阶跃函数将材料分成两个不同的相。同时，将网格大小调整为像素大小以精确的区分相。
我们使用扩散方程来确定材料的均质特性。2D 图像中的孔隙相是不连续的，因此为确定通过孔隙相的传输特性，必须为固相设定一个较小的正传导率值；该值是一个比气孔小一百万倍的因子。
编者注：在孔隙尺度流动模型中，我们详细描述了如何通过二进制图像计算孔隙的等效渗透率和孔隙率。
图4显示了两种具有相同孔隙率，但通过孔隙的气体扩散率相差 35％ 的材料。显然，在常见的强烈气体腐蚀环境中，对石墨而言这有可能是材料稳定性的一个限制因素。
通过 LiveLink™ for MATLAB® 应用程序，可以很方便地将数以千计的图像自动导入 COMSOL 软件中进行分析。在软件中，物理场是也可以互换，因此可以轻松地将模型转为计算材料的弹性、热导率和电导率等特性。基于仿真结果，能确定材料在应用中的所有相关特性并对同一类样品进行评估。
计算一个方向上的传输，就可以评估样品的各向异性（图5）。在我们的研究中，孔隙相的各向异性远高于固相的各向异性（图6），因此，在某些应用中，石墨片的取向显著影响材料的使用寿命。同样，这些材料密度的微小变化也可能会极大地影响材料的渗透性和扩散性。
不同处理工艺对材料的影响较大，图6 所示的结果仅能代表某种材料的特性。
我们建立了一个现代化的实验室和一套完整的材料分析流程，不仅可用于公司内部的材料分析，还可以为客户提供商业服务（图7）。
