从一维研究预测材料的三维吸湿行为

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 16:45
文章英文标题
Predicting 3D moisture sorption behavior of materials from 1D investigations
正文
材料中的水分可能是未来气体过剩的根源,并加剧物理和化学性质的不必要变化。在这里,我们通过实验和模拟相结合的方法研究了样品尺寸和形状对水分传输现象的影响。在较宽的相对湿度( 0 ~ 90 % )和温度( 30 ~ 70℃)下,用重量型动态汽相吸附( DVS )研究了几种不同材料的尺寸和形状变化。采用前人发展的动态三模吸附模型对实验结果进行描述,模型包括物种的吸附、吸附、聚集(聚类)和分子扩散。这里我们表明,全三模吸附模型具有足够的鲁棒性,可以利用准一维样品衍生的参数预测三维( 3D )样品的动态吸放气。在3种不同材料(填充聚二甲基硅氧烷( PDMS )、未填充PDMS和陶瓷无机复合材料)上的成功演示表明,该模型在描述吸湿扩散材料的尺度无关物理和化学方面是稳健的。这项工作表明,虽然吸附机制体现在所有样本量的测试中,但其中一些机制非常微妙,以至于在我们的初步建模和评估中被忽视,说明了多尺度实验在发展稳健预测能力方面的重要性。我们的研究还概述了多参数模型全局优化面临的挑战和可行的解决方案。利用1D实验室尺度实验来量化吸湿扩散的能力,与尺度无关,可以预测实际应用中的长期块体材料行为。
文章内容(英文)
Moisture in materials can be a source of future outgassing and exacerbate unwanted changes in physical and chemical properties. Here, we investigate the effect of sample size and shape on the moisture transport phenomena through a combined experimental and modeling approach. Several different materials varying in size and shape were investigated over a wide range of relative humidities (0–90%) and temperatures (30-70∘C\\documentclass[12pt]{minimal}\t\t\t\t\\usepackage{amsmath}\t\t\t\t\\usepackage{wasysym}\t\t\t\t\\usepackage{amsfonts}\t\t\t\t\\usepackage{amssymb}\t\t\t\t\\usepackage{amsbsy}\t\t\t\t\\usepackage{mathrsfs}\t\t\t\t\\usepackage{upgreek}\t\t\t\t\\setlength{\\oddsidemargin}{-69pt}\t\t\t\t\\begin{document}$$30{-}70^{\\,\\circ } \\hbox {C}$$\\end{document}) using gravimetric type dynamic vapor sorption (DVS). A dynamic triple-mode sorption model, developed previously, was employed to describe the experimental results with good success; the model includes absorption, adsorption, pooling (clustering) of species, and molecular diffusion. Here we show that the full triple-mode sorption model is robust enough to predict the dynamic uptake and outgassing of 3-dimensional (3D) samples using parameters derived from quasi-1D samples. This successful demonstration on three different materials (filled polydimethylsiloxane (PDMS), unfilled PDMS, and ceramic inorganic composite) illustrates that the model is robust at describing the scale-independent physics and chemistry of moisture sorption and diffusion materials. This work demonstrates that while sorption mechanisms manifest in testing of all sample sizes, some of these mechanisms were so subtle that they were overlooked in our initial modeling and assessment, illustrating the importance of multi-scale experiments in the development of robust predictive capabilities. Our study also outlines the challenges and viable solutions for global optimization of a multi-parameter model. The ability to quantify moisture sorption and diffusion, independent of scale, using 1D lab-scale experiments enables prediction of long-term bulk materials behavior in real applications.
来源出处
Journal|[J]Scientific ReportsVolume 10, Issue 1. 2020.
DOI
https://doi.org/10.1038/s41598-020-74898-w

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