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火遍全网论文的有限元分析都能做什么？

来源：测试GO 时间：2021-09-18 11:13:08 浏览：1734次

1、引言

有限元分析（FEA，Finite Element Analysis）是利用数学近似的方法对真实物理系统（几何和载荷工况）进行模拟。通常，空间和时间相关问题的物理定律用偏微分方程来描述。对于绝大多数的几何结构和所面对的问题来说，可能无法求出这些偏微分方程的解析解。不过在一般的情况下，可以根据不同的离散化类型来构造出近似的方程，得出与这些偏微分方程近似的数值模型方程，并可以用数值方法求解。如此，这些数值模型方程的解，就是相应的偏微分方程真实解的近似解。

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由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元分析不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。随着计算机技术的快速发展和普及，有限元分析在机械制造、材料加工、航空航天、土木建筑等领域得到广泛应用，成为了一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。

2、采用FEA进行三维电磁仿真

Nano Energy: 近场控制增强钙钛矿太阳能电池的光伏性能和光稳定性

钙钛矿材料被视为应用最广泛的光伏材料之一，拥有可调带隙、较大的扩散长度和较低的穿透深度的特性，在近年来促使薄膜钙钛矿太阳能电池（PSC）实现了超过25%的能量转化效率（ECE）。然而，太阳能器件在光学、电性能和稳定性以及制造工艺方面目前仍然面临许多挑战。其中，光学性能可以通过有效的光子管理来提高，从而最大限度地减少光损耗。近期研究表明，使用无机金属氧化物（如ZnO、NiO 等）作为 PSC 前触点具有巨大的潜力，其可以通过改善光耦合和光捕获来促进PSC中的光子管理，与有机材料相比，它们可提供高效率和更好的器件稳定性。

基于此，香港城市大学的Juan Antonio Zapien和日本金泽大学的Md. Shahiduzzama合作提出一种使用金属氧化物作为钙钛矿太阳能电池(PSCs)前接触的光子管理策略，兼容串联和柔性PSCs，能够优化器件特性，同时提供额外的反应机制，以避免过度聚焦对器件的光稳定性产生影响（图1）^[1]。同时对所使用的数值模型进行了严格验证，并在优化的上层结构实现了高性能：ECE = 17.4%, 开路电压（V_oc）= 1.02 V、短路电流（J_sc）= 22.3 mA/cm²和填充因子（FF）= 77%（图2）。

利用时域差分(FDTD)和FEA技术的三维电磁仿真结合对PSCs中光子和电效应进行了详细分析。研究结果表明，对一种新型纳米结构前接触的双能力进行数值优化，可以控制吸收的功率密度分布以最大限度地提高效率，最小化纳米结构相关的亚波长聚焦效应，并且增强的电特性可以最大限度地提取电荷，进而增强J_sc，与平面PSCs性能相比，适用于柔性PSCs的超薄活性层可高达33%。同时，前接触层纳米结构的设计能够控制器件中的功率密度分布，从而在不影响纳米光子前接触所提供的性能增强的情况下提高PSCs的光稳定性。

图1 PSCs的上层和衬底结构

图2 TiO₂/FTO基板上制备的钙钛矿薄膜的结构表征以及PSCs的性能测试和FEA模拟

3、采用FEA模拟电极材料结构的多物理场的时空分布

Advanced Energy Materials: 低弯曲度、高负载钠离子电池电极材料的可控设计与有限元分析

钠离子电池具有资源丰富、成本低、安全性高等优点，在中低速电动车、电动自行车、大规模储能等领域具有很好的应用前景。钠离子电池与锂离子电池工作原理相似，但由于钠离子具有较大的相对原子质量及粒子半径，钠离子在电极中嵌入与脱嵌动力学差，造成钠离子电池的比能量和比功率比锂离子电池低。开发高负载面容量的电极结构可以增加活性材料的百分比，从而在器件/电池水平上提高能量密度，被认为是实现钠离子电池高能量目标的直接策略之一。

然而，在传统的电极结构中，活性材料被涂覆在金属电流集电极上，电极组分的随意堆叠将形成高弯曲度的多孔结构，导致电荷(电子和离子)传输路径随着质量负载的增加而成比例地增加，电池电阻更高，电池比功率较低。

基于此，大连化物所李先锋研究员与郑琼副研究员基于非溶剂诱导相分离方法合作开发了低弯曲度的Na₃V₂(PO₄)₃电极（图3）^[2]。通过热力学和动力学调节，可以获得所需的低弯曲形态，并进一步利用结构优势成功制备了超高质量负载(60 mg cm^-2)和面积容量(4.0 mAh cm^-2)的电极，即使在10C的高倍率电化学测试下，其容量仍然保持1.0 mAh cm^-2（图4）。

利用数值模拟和FFA时空分布模拟，全面研究了低弯曲度体系对电荷传输动力学的影响（图5），结果表明由于有效的离子扩散率与曲折度成反比，低曲折度的指状孔可以通过促进Na⁺传输显著增强电荷的转移动力学，而在高曲度的孔中离子传输路径大幅延长，致使在放电过程结束时集流体附近的离子不能及时补充，阻碍了进一步的电化学反应并使Na⁺传输成为厚电极中电化学反应动力学的决定步骤。因此，低曲度的孔隙有望增强Na⁺的传输能力并显著提高倍率性能。该研究为适用于高性能钠离子电池的设计和优化提供了策略。

图3 基于无模板非溶剂诱导相分离法制备复合电极

图4 复合电极的电化学性能测试

图5 数值模拟与FEA模拟

4、采用FEA进行热传导过程模拟

Chemical Engineering Journal：“碳焊接”石墨烯骨架相变复合材料用于高导热性的太阳能热转换

随着对续航里程和充电效率的要求越来越高，高能量密度锂电池的热管理问题，包括产生余热的散热和寒冷环境下的保温，已经越来越受到工业界和学术界的广泛关注。相变材料（PCMs）具有高潜热的特性，尤其是有机固液相变材料，既可以吸收大量废热并储存以避免局部过热，又可以在寒冷的环境中将所储存的热量释放出来以维持锂电池的正常运行，因而在锂电池热管理方面展现出广阔的前景。

但是有机固-液相变材料也存在两个缺陷：1）其固有的低热导率（通常λ_PCM< 0.5 W m^-1 K^-1）会严重阻碍实际热管理系统中的热储/放速率；2）其形状稳定性差、易泄漏和光热转换能力低。因此，开发用于锂电池热管理的先进PCM仍然具有挑战性。将碳基材料、金属微/纳米颗粒、陶瓷填料等高导热填料掺入PCMs可以有效提高其导热性。然而，高导热率的高填料负载（大于 50 wt%）会不可避免地降低PCMs的熔化潜热。

相比之下，预先构建由高导热填料组成的三维 (3D) 有序结构被广泛认为是制备高性能PCMs的有希望的策略。3D框架中相互连接的导热填料不仅可以最大限度地降低填料与基体之间的界面热阻（ITR），还可以在PCM中形成直接连接的声子传输高速通道，从而在低填料负载下获得高热导率。此外，由于多孔结构的巨大毛细管和表面张力，引入 3D 多孔框架可以同时提高形状稳定性并防止固液相变过程中的泄漏。

基于此，郑州大学刘春太团队通过采用“碳焊接”策略来降低3D石墨烯骨架中的填料间ITR^[3]。选取拥有丰富的共轭芳香结构的聚酰亚胺（PI）作为碳源，其经过碳化后可以具有与石墨烯相似的晶格结构。在聚酰胺酸（PAA）的帮助下，通过冰模板法组装石墨烯纳米片（GNP）构建了有序的3D石墨烯骨架，经过酰亚胺化和碳化处理后，所得石墨烯骨架（C-PI-GNP）在真空辅助下用聚乙烯醇浸渍以获得高性能PCMs（图6）。碳化聚酰亚胺 (PI) 和石墨烯的相似晶格结构可以显着降低这些接触区域的声子散射和ITR。用聚乙烯醇（PEG）浸渍后，获得了具有高效声子传输高速通道的高性能PCMs，制备的复合材料显示出高导热率，最大值为 7.032 W m^-1K^-1（图7）。FEA分析和非线性模型分析证实骨架中填料-填料ITR的降低是提高导热率的主要原因（图8）。此外，3D石墨烯骨架的存在可以有效避免固液相变过程中的泄漏，并显著提PCMs的形状稳定性。同时，石墨烯骨架可以赋予PCMs优异的光热转换性能，确保在实际环境中的广泛应用。

图6 C-PI-GNP的制备流程和形貌表征

图7 C-PI-GNP的导热性能测试

图8 C-PI-GNP热传导过程的FEA模拟

5、采用FEA进行膜的水通量模拟

Chemical Engineering Journal：自洁光催化MXene复合膜协同强化水处理:油水分离和染料去除

随着工业的不断进步，世界范围内的水污染问题日益严重，特别是废水中不溶性油类和染料对生物环境的危害已经迫在眉睫。膜分离工程因其节能、分离效率高和环境友好等优点而被认为是废水处理中的佼佼者。然而，传统的膜材料主要依靠膜孔的筛分作用来去除污染物和回收废水中的有价值物质，在实际使用中需要权衡导致膜的渗透性和选择性。此外，膜污染会显著降低其分离性能和使用寿命。因此，开发新型膜材料和先进的膜分离工艺具有重要的实用价值和意义。

MXene是一种典型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物，具有层状结构，可以通过组装和层堆叠构建纳米尺度的传质通道。MXene纳米片之间的层间距易于控制，结构中丰富的-OH和-O等官能团也赋予MXene优异的反应活性和亲水性，可以应用于水处理领域当中。但是基于MXene膜的差防污性能和难重复使用性极大地限制了其实际应用。随着科技的进步，光催化技术在环境修复和能量转换方面展现出了巨大的应用价值，将光催化技术与膜分离技术结合可应用于多功能膜的设计和制备，并基于分离和光降解机理协同提高膜的综合性能。

基于此，成都理工大学曾广勇和中科院罗建泉团队合作通过简单真空过滤方法将MXene纳米片和N-Bi₂O₂CO₃纳米颗粒进行结合，首次构建了一系列新型光催化复合膜（图9）^[4]。测试结果表明，掺入N-Bi₂O₂CO₃纳米粒子后，复合膜具有超高的水通量（815.3 L m^-2 h^-1）。此外，通过膜分离、吸附和光降解可以获得优异的三种不同类型染料去除率，分别约为99.9%（刚果红）、98%（台盼红）和 98.4%（罗丹明 B），并且复合膜在连续五个可见光照射循环后仍保持稳定的渗透性和选择性（图10）。同时，作者利用密度泛函理论计算和FEA模拟，分别揭示了光催化活性和膜渗透性提高的机制（图11）。

图9 N-Bi₂O₂CO₃ @MXene/PES复合膜的构建过程示意图

图10 N-Bi₂O₂CO₃ @MXene/PES复合膜的循环性测试

图11 FEA模拟结果

参考文献

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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