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火遍全網論文的有限元分析都能做什么？

來源：測試GO 時間：2021-09-18 11:13:08 瀏覽：3821次

1、引言

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。通常，空間和時間相關問題的物理定律用偏微分方程來描述。對于絕大多數的幾何結構和所面對的問題來說，可能無法求出這些偏微分方程的解析解。不過在一般的情況下，可以根據不同的離散化類型來構造出近似的方程，得出與這些偏微分方程近似的數值模型方程，并可以用數值方法求解。如此，這些數值模型方程的解，就是相應的偏微分方程真實解的近似解。

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由于大多數實際問題難以得到準確解，而有限元分析不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。隨著計算機技術的快速發展和普及，有限元分析在機械制造、材料加工、航空航天、土木建筑等領域得到廣泛應用，成為了一種豐富多彩、應用廣泛并且實用高效的數值分析方法。

2、采用FEA進行三維電磁仿真

Nano Energy: 近場控制增強鈣鈦礦太陽能電池的光伏性能和光穩定性

鈣鈦礦材料被視為應用最廣泛的光伏材料之一，擁有可調帶隙、較大的擴散長度和較低的穿透深度的特性，在近年來促使薄膜鈣鈦礦太陽能電池（PSC）實現了超過25%的能量轉化效率（ECE）。然而，太陽能器件在光學、電性能和穩定性以及制造工藝方面目前仍然面臨許多挑戰。其中，光學性能可以通過有效的光子管理來提高，從而最大限度地減少光損耗。近期研究表明，使用無機金屬氧化物（如ZnO、NiO 等）作為 PSC 前觸點具有巨大的潛力，其可以通過改善光耦合和光捕獲來促進PSC中的光子管理，與有機材料相比，它們可提供高效率和更好的器件穩定性。

基于此，香港城市大學的Juan Antonio Zapien和日本金澤大學的Md. Shahiduzzama合作提出一種使用金屬氧化物作為鈣鈦礦太陽能電池(PSCs)前接觸的光子管理策略，兼容串聯和柔性PSCs，能夠優化器件特性，同時提供額外的反應機制，以避免過度聚焦對器件的光穩定性產生影響（圖1）^[1]。同時對所使用的數值模型進行了嚴格驗證，并在優化的上層結構實現了高性能：ECE = 17.4%, 開路電壓（V_oc）= 1.02 V、短路電流（J_sc）= 22.3 mA/cm²和填充因子（FF）= 77%（圖2）。

利用時域差分(FDTD)和FEA技術的三維電磁仿真結合對PSCs中光子和電效應進行了詳細分析。研究結果表明，對一種新型納米結構前接觸的雙能力進行數值優化，可以控制吸收的功率密度分布以最大限度地提高效率，最小化納米結構相關的亞波長聚焦效應，并且增強的電特性可以最大限度地提取電荷，進而增強J_sc，與平面PSCs性能相比，適用于柔性PSCs的超薄活性層可高達33%。同時，前接觸層納米結構的設計能夠控制器件中的功率密度分布，從而在不影響納米光子前接觸所提供的性能增強的情況下提高PSCs的光穩定性。

圖1 PSCs的上層和襯底結構

圖2 TiO₂/FTO基板上制備的鈣鈦礦薄膜的結構表征以及PSCs的性能測試和FEA模擬

3、采用FEA模擬電極材料結構的多物理場的時空分布

Advanced Energy Materials: 低彎曲度、高負載鈉離子電池電極材料的可控設計與有限元分析

鈉離子電池具有資源豐富、成本低、安全性高等優點，在中低速電動車、電動自行車、大規模儲能等領域具有很好的應用前景。鈉離子電池與鋰離子電池工作原理相似，但由于鈉離子具有較大的相對原子質量及粒子半徑，鈉離子在電極中嵌入與脫嵌動力學差，造成鈉離子電池的比能量和比功率比鋰離子電池低。開發高負載面容量的電極結構可以增加活性材料的百分比，從而在器件/電池水平上提高能量密度，被認為是實現鈉離子電池高能量目標的直接策略之一。

然而，在傳統的電極結構中，活性材料被涂覆在金屬電流集電極上，電極組分的隨意堆疊將形成高彎曲度的多孔結構，導致電荷(電子和離子)傳輸路徑隨著質量負載的增加而成比例地增加，電池電阻更高，電池比功率較低。

基于此，大連化物所李先鋒研究員與鄭瓊副研究員基于非溶劑誘導相分離方法合作開發了低彎曲度的Na₃V₂(PO₄)₃電極（圖3）^[2]。通過熱力學和動力學調節，可以獲得所需的低彎曲形態，并進一步利用結構優勢成功制備了超高質量負載(60 mg cm^-2)和面積容量(4.0 mAh cm^-2)的電極，即使在10C的高倍率電化學測試下，其容量仍然保持1.0 mAh cm^-2（圖4）。

利用數值模擬和FFA時空分布模擬，全面研究了低彎曲度體系對電荷傳輸動力學的影響（圖5），結果表明由于有效的離子擴散率與曲折度成反比，低曲折度的指狀孔可以通過促進Na⁺傳輸顯著增強電荷的轉移動力學，而在高曲度的孔中離子傳輸路徑大幅延長，致使在放電過程結束時集流體附近的離子不能及時補充，阻礙了進一步的電化學反應并使Na⁺傳輸成為厚電極中電化學反應動力學的決定步驟。因此，低曲度的孔隙有望增強Na⁺的傳輸能力并顯著提高倍率性能。該研究為適用于高性能鈉離子電池的設計和優化提供了策略。

圖3 基于無模板非溶劑誘導相分離法制備復合電極

圖4 復合電極的電化學性能測試

圖5 數值模擬與FEA模擬

4、采用FEA進行熱傳導過程模擬

Chemical Engineering Journal：“碳焊接”石墨烯骨架相變復合材料用于高導熱性的太陽能熱轉換

隨著對續航里程和充電效率的要求越來越高，高能量密度鋰電池的熱管理問題，包括產生余熱的散熱和寒冷環境下的保溫，已經越來越受到工業界和學術界的廣泛關注。相變材料（PCMs）具有高潛熱的特性，尤其是有機固液相變材料，既可以吸收大量廢熱并儲存以避免局部過熱，又可以在寒冷的環境中將所儲存的熱量釋放出來以維持鋰電池的正常運行，因而在鋰電池熱管理方面展現出廣闊的前景。

但是有機固-液相變材料也存在兩個缺陷：1）其固有的低熱導率（通常λ_PCM< 0.5 W m^-1 K^-1）會嚴重阻礙實際熱管理系統中的熱儲/放速率；2）其形狀穩定性差、易泄漏和光熱轉換能力低。因此，開發用于鋰電池熱管理的先進PCM仍然具有挑戰性。將碳基材料、金屬微/納米顆粒、陶瓷填料等高導熱填料摻入PCMs可以有效提高其導熱性。然而，高導熱率的高填料負載（大于 50 wt%）會不可避免地降低PCMs的熔化潛熱。

相比之下，預先構建由高導熱填料組成的三維 (3D) 有序結構被廣泛認為是制備高性能PCMs的有希望的策略。3D框架中相互連接的導熱填料不僅可以最大限度地降低填料與基體之間的界面熱阻（ITR），還可以在PCM中形成直接連接的聲子傳輸高速通道，從而在低填料負載下獲得高熱導率。此外，由于多孔結構的巨大毛細管和表面張力，引入 3D 多孔框架可以同時提高形狀穩定性并防止固液相變過程中的泄漏。

基于此，鄭州大學劉春太團隊通過采用“碳焊接”策略來降低3D石墨烯骨架中的填料間ITR^[3]。選取擁有豐富的共軛芳香結構的聚酰亞胺（PI）作為碳源，其經過碳化后可以具有與石墨烯相似的晶格結構。在聚酰胺酸（PAA）的幫助下，通過冰模板法組裝石墨烯納米片（GNP）構建了有序的3D石墨烯骨架，經過酰亞胺化和碳化處理后，所得石墨烯骨架（C-PI-GNP）在真空輔助下用聚乙烯醇浸漬以獲得高性能PCMs（圖6）。碳化聚酰亞胺 (PI) 和石墨烯的相似晶格結構可以顯著降低這些接觸區域的聲子散射和ITR。用聚乙烯醇（PEG）浸漬后，獲得了具有高效聲子傳輸高速通道的高性能PCMs，制備的復合材料顯示出高導熱率，最大值為 7.032 W m^-1K^-1（圖7）。FEA分析和非線性模型分析證實骨架中填料-填料ITR的降低是提高導熱率的主要原因（圖8）。此外，3D石墨烯骨架的存在可以有效避免固液相變過程中的泄漏，并顯著提PCMs的形狀穩定性。同時，石墨烯骨架可以賦予PCMs優異的光熱轉換性能，確保在實際環境中的廣泛應用。

圖6 C-PI-GNP的制備流程和形貌表征

圖7 C-PI-GNP的導熱性能測試

圖8 C-PI-GNP熱傳導過程的FEA模擬

5、采用FEA進行膜的水通量模擬

Chemical Engineering Journal：自潔光催化MXene復合膜協同強化水處理:油水分離和染料去除

隨著工業的不斷進步，世界范圍內的水污染問題日益嚴重，特別是廢水中不溶性油類和染料對生物環境的危害已經迫在眉睫。膜分離工程因其節能、分離效率高和環境友好等優點而被認為是廢水處理中的佼佼者。然而，傳統的膜材料主要依靠膜孔的篩分作用來去除污染物和回收廢水中的有價值物質，在實際使用中需要權衡導致膜的滲透性和選擇性。此外，膜污染會顯著降低其分離性能和使用壽命。因此，開發新型膜材料和先進的膜分離工藝具有重要的實用價值和意義。

MXene是一種典型的二維過渡金屬碳化物或碳氮化物，具有層狀結構，可以通過組裝和層堆疊構建納米尺度的傳質通道。MXene納米片之間的層間距易于控制，結構中豐富的-OH和-O等官能團也賦予MXene優異的反應活性和親水性，可以應用于水處理領域當中。但是基于MXene膜的差防污性能和難重復使用性極大地限制了其實際應用。隨著科技的進步，光催化技術在環境修復和能量轉換方面展現出了巨大的應用價值，將光催化技術與膜分離技術結合可應用于多功能膜的設計和制備，并基于分離和光降解機理協同提高膜的綜合性能。

基于此，成都理工大學曾廣勇和中科院羅建泉團隊合作通過簡單真空過濾方法將MXene納米片和N-Bi₂O₂CO₃納米顆粒進行結合，首次構建了一系列新型光催化復合膜（圖9）^[4]。測試結果表明，摻入N-Bi₂O₂CO₃納米粒子后，復合膜具有超高的水通量（815.3 L m^-2 h^-1）。此外，通過膜分離、吸附和光降解可以獲得優異的三種不同類型染料去除率，分別約為99.9%（剛果紅）、98%（臺盼紅）和 98.4%（羅丹明 B），并且復合膜在連續五個可見光照射循環后仍保持穩定的滲透性和選擇性（圖10）。同時，作者利用密度泛函理論計算和FEA模擬，分別揭示了光催化活性和膜滲透性提高的機制（圖11）。

圖9 N-Bi₂O₂CO₃ @MXene/PES復合膜的構建過程示意圖

圖10 N-Bi₂O₂CO₃ @MXene/PES復合膜的循環性測試

圖11 FEA模擬結果

參考文獻

1. M.I. Hossain, et al. Near field control for enhanced photovoltaic performance and photostability in perovskite solar cells. Nano Energy, 2021, 89,106388.

2. Z. Lv, et al. Controllable Design Coupled with Finite Element Analysis of Low-Tortuosity Electrode Architecture for Advanced Sodium-Ion Batteries with Ultra-High Mass Loading. Advanced Energy Materials, 2021, 11, 2003725.

3. M.J. Su, et al. Carbon welding on graphene skeleton for phase change composites with high thermal conductivity for solar-to-heat conversion. Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131665.

4. Q. Q. Lin, et al. Self-cleaning photocatalytic MXene composite membrane for synergistically enhanced water treatment: Oil/water separation and dyes removal. Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131668.

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