Comsol多孔材料电磁波计算

 

 

多孔材料

多孔材料是一种由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。含一定数量孔洞的固体叫多孔材料，孔洞的边界或表面由支柱或平板构成。典型的孔结构有一种是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料。

关键词：多孔材料；电磁波；射频；仿真计算

电子F430 | 供稿

小苏 | 编辑

赵佳乐 | 审核

1.1 多孔材料分类及构成

按照孔径大小的不同，多孔材料又可以分为微孔（孔径小于2 nm ）材料、介孔（孔径 2-50 nm ）材料和大孔（孔径大于50 nm ）材料。

多孔材料可由多种金属和合金以及难熔金属的碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等制成，但常用的是青铜、不锈钢、镍及钛等。多孔材料的孔隙度一般在15%以上，最高可达90%以上，孔径从几百埃到毫米级。多孔材料的孔隙度一般粗分为低孔隙度(<30%)、中孔隙度(30～60%)、高孔隙度(>60%)三类，孔径分为粗孔(大于50nm)、中等孔（2～50nm）和微孔(小于2nm)三种。低孔隙度的多孔材料主要是含油轴承，高孔隙度的还包括金属纤维多孔材料和泡沫金属，主要用于电池极板、绝热、消音、防震等。大量使用的过滤材料和发汗冷却材料（见金属发汗材料）多为中等孔隙度。过滤用的多孔材料可按过滤精度和流量分成等级系列。

图1a. 微细多孔材料

1.2 多孔材料前景

在众多的多孔材料中，无序多孔材料的制备较易，成本较低，易于大量推广和使用。例如泡沫金属。常见的方法有五种：(1)粉末冶金法，它又可分为松散烧结和反应烧结两种；(2)渗流法；(3)喷射沉积法；(4)熔体发泡法；(5)共晶定向凝固法。渗流法是将一定粒径的可溶性盐粒装填在模具中压实，并随模具一起放入炉内加热，同时在电阻式坩埚炉内配制所需的合金, 待合金熔化完毕, 出炉浇入模具中, 通过在金属液表面施加一定的压力使其渗透到粒子之间的缝隙之中；当金属液凝固后便可得到金属合金与粒子的复合体，用水将复合体中的盐粒溶去，即可制得具有三维连通泡孔的泡沫合金。但是这种方法生产的材料性能不均匀，质量很难控制。

可控孔多孔材料的制备过程相对复杂，且技术条件要求较高。从前面分析的特性来看, 可控孔多孔材料拥有许多无序孔多孔材料所不具备的特性，随着新技术的发展，可控孔多孔材料的制备方法将越来越成熟，这类方法必将成为今后多孔材料科学的发展趋势。

图1b. 多孔材料汽车行业应用

2. 物理建模

根据多孔材料几何尺寸绘制的三维模型如图2所示。仿真过程需设置多孔材料的相对介电常数和相对磁导率，为保证结果准确性，以上材料参数均从相关论文资料及现有实验数据中获取，如图3所示。

图2. 几何模型

图3. 材料参数

3. 物理边界条件

高频电磁场边界条件：

（1）添加背景散射场，电场方向垂直于Z轴，电场大小为100V/m；

（2）多孔材料和空气域均属于波动方程-电方程；（3）多孔材料外边界设置理想电导体边界；

（4）多孔材料电场初始值设0V/m；

具体边界条件如图4所示。

图4. 物理场边界条件

根据有限元法的求解原理，剖分越精细，求解越准确，数值计算前通过网格划分对模型计算区域进行离散化处理，采用三角形非结构化网格对多孔材料模型进行划分，具体网格分布如图5所示。

图5. 计算网格

4. 结果展示

采用频域2GHz—稳态全耦合求解器进行求解，通过计算得到多孔材料电磁场分布如下图所示。

图6. 电场分布

图7. 孔隙电场分布

图8. 电流密度分布

图9. 电场线分布

图10. x-z/x-y/y-z截面电场分布