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化学制品 博客文章

开发用于按需DNA合成的硅MEMS芯片

2020年 1月 21日

体细胞基因组编辑逐渐表现出能够治疗多种遗传疾病的能力。随着功能强大的基因组编辑工具 CRISPR-Cas9 的不断发展,人们对 DNA 合成技术的需求也越来越多。一家总部位于英国的初创公司正在开发一个平台,用于高度平行、精确以及可扩展的 DNA 合成,这将大大拓宽合成生物学的应用前景。 DNA 研究的新领域 传统的 DNA 合成技术是通过化学构建一串碱基,以形成一条单链的一个片段,然后将这些片段连接在一起,形成双链DNA。这种方法造价昂贵且非常耗时,这就限制了合成生物学的应用前景。一个可以合成整个基因序列的 DNA 平台将会改变每个实验室中 DNA 合成的格局。现今,总部位于英国剑桥的初创公司 Evonetix 正在开发一种芯片系统,以实现这一目标。 Evonetix 正在开发的平台上包含有多个反应位点的硅芯片,每个反应位点都可以并行合成一条不同的 DNA 链。各个位点都有一层金,上面会发生生化反应。同时也有一些保护区域,这些保护区域将位点与之间的被动区域热隔离。 在芯片实验室里做的晶片硅上的单个反应位点。图片由 Evonetix 提供。 热控制是芯片最重要的方面之一。可以通过热控制来加速或减速芯片上各个位置的反应,就像电灯开关一样打开或关闭这些位置。热控制还可以精确且独立地控制反应位点处流体体积的温度,这种控制可以创建 “虚拟热井” ,从而消除反应位点之间的物理屏障,并允许试剂可以同时流过数千个位置。这样,当含化学试剂的液体流过这些位点时,取决于温度的反应就可以以高度并行的格式进行或者关闭。 该芯片的另一个方面是其专有的错误检测方法,这种方法可以提高良率。反应位点上生长的 DNA 序列会自动纯化以消除错误,然后再将它们组合成更长的高保真基因序列。 设计目标 为了使硅芯片可以尽可能有效地合成 DNA,Evonetix 团队想到需要优化其几何形状和材料。他们对该芯片有三个主要设计目标: 反应位点处温度均匀 反应位点上单位功率的高温升速率 流体流动过程中稳定的温度分布 首先,反应位点处保证其温度均匀很重要,因为温度可以精确控制反应。Evonetix 物理负责人 Andrew Ferguson 说:“化学反应是随着温度变化而开启的,我们希望可以精确地控制反应速率。” 其次,反应位点上单位功率的高温升速率可以使芯片的总功率保持在较低的水平。最后,芯片上稳定的温度分布确保了反应可以在流体流动条件下发生。 在 COMSOL Multiphysics® 中为硅 MEMS 芯片建模 Evonetix 团队使用 COMSOL Multiphysics® 软件在其硅芯片设计上模拟 DNA 合成。Evonetix的高级工程师 Vijay Narayan 说,“我很喜欢 COMSOL Multiphysics 的用户界面。它可以让我们专注于物理学,同时确保方程的数值结果能得到很好的后处理。”他们使用 COMSOL Multiphysics 中的内置材料以及来自文献的外部材料数据,建立了具有真实材料参数的模型。 首先,该团队使用 COMSOL Multiphysics 构建芯片的单个单元(包括反应部位和加热器)的几何形状,以满足上述三个设计要求。该 ECAD导入模块 使他们能够轻松地将他们的设计从 GDS(CAD 文件格式)导入到 COMSOL Multiphysics 软件中。Narayan说:“系统的设计,尤其是对加热器的设计,可以非常精确,并且具有非常严格的设计规则,同时 ECAD 导入模块提供了更多的灵活性。” 这一功能也使设计团队能够在原型制作阶段直接向制造商提供设计图样。 包括一个反应位点的几何模型图。图片由 Evonetix 提供。 为了分析系统的稳态和瞬态热响应,研究小组使用了传热模块。他们通过使用 电磁加热 接口,让电流流经加热器来评估系统的温度控制能力。为了扩展热分析,该团队通过添加 层流 和 非等温流 多物理场耦合来描述流体流动。 […]

如何模拟外加电流阴极保护

2019年 12月 18日

外加电流阴极保护是保护金属免受电腐蚀的常用方法。在此博客文章中,我们将解释这种方法的工作原理以及常见的应用。最后给出一个船体仿真模型。在该模型中,对轴、螺旋桨阴极保护系统产生的电场信号进行分析是仿真非常重要的一个方面。 防止电偶腐蚀 若将金属放入电解液中,将始终面临电偶腐蚀的风险。这种类似的反应会发生在水环境,土壤,混凝土,以及大气环境下。当潮湿的空气凝结在金属表面上时,会形成一层电解液薄膜。当金属周围被电解液环绕,并且电解液能够将其中的离子从金属的一端传输到另一端时,就会受到腐蚀。即使是看似相同类型的金属(铸铁),也会由于金属中的杂质或金属本身的不同而被腐蚀,这种腐蚀可能是金属与结构的其他部分具有不同的电化学势有关。 板上螺栓的电偶腐蚀。D3j4vu提供的自己的作品。通过 Wikimedia Commons 在 CC BY-SA 3.0 下获得许可。 如果不对金属进行保护,电偶腐蚀会导致点蚀、缝隙腐蚀等问题。为了缓解此类问题,可能需要通过聚合物涂层来将金属与电解质环境隔离开。但是,随着时间的流逝,此类涂层可能会因撞击或穿透而被破坏,最终导致腐蚀。 在许多情况下,如果金属的第一道保护屏障被破坏,通常会采用另一种方法来避免电偶腐蚀。这种方法就是通过结构极化,使暴露的金属成为系统的阴极来实现的。暴露的金属受阴极反应控制,阳极反应造成的材料损失可以忽略不计。通常有下列两个方法来保护金属不受腐蚀: 通过牺牲阳极来实现阴极保护(SACP) 使用电化学平衡电位较低的牺牲金属 通过外加电流来实现阴极保护(ICCP) 使用外部电流源(通常是整流器),产生直流电流,使金属表面极化成阴极电位区 电流源与一些由惰性材料制成的阳极相连接,不像牺牲阳极那样消耗电流 ICCP方法通常用于陆上管道,港口,混凝土结构,船舶等。由于其具有高电流输出和易于安装等特点,它也是海上石油平台加装腐蚀防护系统的一种常用方法。 ICCP的一个主要缺点是电流输出可能很大,这会导致附近金属表面产生非常负的极化。这可以使阴极极化成一个发生析氢的区域。对于某些结构,氢会扩散到金属表面并在金属中产生氢脆和氢致应力开裂 (HISC)的风险。 SACP可能更常用于钢结构,因为析氢的风险不太明显。在大型船舶上,这是一种非常常见的阴极保护方法。用于将施加电流的阳极嵌入容器的船体表面,与具有相同电流容量的牺牲阳极相比,其产生的阻力要小得多。 模拟通过外加电流实现的阴极保护 如果想要在一个几何大结构的背景下捕获物理和电化学的所有细节,对腐蚀进行建模会极具挑战性。幸运的是,在对较大规模的阴极保护(例如船体,管道或石油平台)建模时,可以做一些假设和简化。 首先,从控制方程式和电解液质充分混合的假设入手,将方程式进行简化,以便可以只计算由离子迁移引起的电解液质中的电流平衡。这就会把控制方程式简化为拉普拉斯方程式,其中电解液质的电导率作为材料参数输入。 电流密度平衡的方程式为 \nabla \cdot \mathbf{i}l=0 其中 \mathbf{i}l=-\bigg(\sum^n{i=1}zi^2u{m,i}F^2ci\bigg)\nabla\phil+\bigg(F\sum^n{i=1}zici\bigg)\mathbf{u}. 其中,il 是电解液中的电流密度,n 是物种的数量,z 是离子的电荷,u{m,i} 是离子的迁移率,F 是法拉第常数,c 是物种的浓度,\phil 是电解液的电位,\mathbf{u} 是描述电解液流动的速度矢量。 上面方程式右侧的第二项包含了电中性条件,它等于零。方程式右边第一项括号内的系数等于电解液的电导率。这就得到了完全混合电解液中电流密度的表达式: \mathbf{i} _l=-\kappal\nabla\phil 在所有的金属表面上,可以同时发生阳极和阴极反应。这些反应可以用 Butler-Volmer 或 Tafel 方程确定的电流密度来表示。Butler-Volmer 方程给出了表面点出作为电化学势函数的电化学反应速率。使用法拉第定律,由于涉及到电子,因此得到了电流密度(参考文献1).Butler-Volmer 方程式可以描述发生在阴极上的析氢反应: i{H2}=i{0,H2} \bigg[ (c{OH^-})^2P{H2} \exp\big(\frac{3F} {2RT}\eta\big)\exp\big(\frac{F}{2RT} \eta)\bigg] 其中i{0,H2} 为交换电流密度,c{OH^-} 是无量纲氢氧根离子浓度,P{H2}为无量纲氢分压,R 为通用气体常数,T 为温​​度和 \eta 活化过电位。 活化过电位定义为: \eta= \phis-\phil-E{eq}, 其中,\phis 表示电级表面电势,E{eq}  表示相对系统中所有反应共有的特定参考电极测得的平衡电极电势。   通过给出这些方程式中不同的参数,可以得到极化曲线,如下图所示: 图1:在次贵金属 表面(蓝色)和较贵金属 表面(红色)处反应的 Butler–Volmer 表达式。 这些极化曲线通常也用埃文斯图(Evans diagram)表示: 图 2:在没有欧姆和质量输运损耗的情况下,两个电极反应的埃文斯图。 对于外加电流阳极,通常需要设置电流密度,以使系统在参考电位上达到给定的电解液电势。这构成了模拟外加电流的阴极保护所需的材料参数和边界条件。   图 3:船体示意图,其中包括参考电极,阳极,螺旋桨和轴的位置。 在船体上建立 ICCP […]

通过集总模型估算锂离子电池的参数

2019年 10月 24日

锂可用于各种场合,不过用在电池上可能是最引人注目的。锂离子电池可用于电动汽车,储能系统等。当锂离子电池用在这些领域时,工程师必须首先通过电化学分析确保其性能能够达到预期。当电池由第三方制造时,可能会带来一个问题:生产厂商不会向工程师透露有关锂电子电池的关键信息(例如内部结构等)。让我们来看看如何通过集总模型估算锂离子电池的参数。

如何延长锂离子电池的使用寿命

2019年 10月 17日

锂离子(Li-ion)电池因其能源效率而广为人知,并且正成为电动汽车(EV)设计者的首选电池。然而,随着温度的突然变化,这些电池的效率会快速降低。液体冷却是控制温度升高的一种方法(无论是环境温度还是电池本身产生的温度),这是一种有效的热管理方法,可以延长电池组的使用寿命。为了研究电池中的液体冷却并优化热管理,工程师可以使用多物理场仿真。

仿真助力设计药物输送系统

2019年 5月 17日

你有没有紧张过,感觉就像被一个小小的闪电击中一样?但是值得庆幸的是,这种疼痛通常会在几天之内消失。不过,遭受严重伤害的人并不是那么幸运,这种痛苦可能会持续数月之久。而诸如神经导向器之类的药物输送系统则可以帮助加速愈合过程。在设计此类设备时,生物工程师需要全面了解药物反应动力学,而这项工作可以借助仿真建模来完成。 使用神经导向器治疗神经损伤 神经充当人体的控制和消息传递系统,使我们可以微笑和挥手,还可以告诉我们什么时候感到太冷或太热。当人体的神经细胞受到挤压、拉伸或其他伤害时,该区域开始发出求救信号,导致人产生从轻微的不适、僵硬到麻木、剧烈疼痛等感觉。 戴腕带可以帮助缓解由正中神经压力引起的腕管综合症的症状。 当神经损伤严重时,医生必须努力修复神经,一种方法是植入神经导向器。 神经导向器可帮助神经正确地重新生长,确保组织愈合时不会缠结这些路径。还可以将它们设计为精准药物输送系统,以减轻疼痛并加快愈合过程。这些不会留下太多伤痕的小型设备可以由可生物降解的生物材料制成,因此甚至不需要将其移除。 神经导向器利用人体的康复机制来控制药物的释放位置。当组织受损时,它会产生一种酶。一旦插入神经导向器,这种酶就会慢慢吞噬药物周围的物质,最靠近组织的部分降解最快,因此药物被“引导”至受伤的神经。 与任何药物输送设备(如贴片类药物)一样,控制药物反应的行为对于神经导向器至关重要。例如,生物工程师必须确保随着时间的推移药物释放应保持稳定;为确保患者的安全和舒适,药物释放决不能太多(避免“爆发释放”)或太少。 但是,了解这种行为可能很困难,因为它受到多方面的影响,包括: 药物的加载和扩散 生物材料的降解和亲和力 设备的几何形状 为了深入了解这些因素如何影响药物反应动力学,生物工程师可以使用仿真工具来模拟。在下一节中,我们将看一个使用 COMSOL Multiphysics®软件 及其附加的 化学反应工程模块 构建的示例。 神经导向器中的药物释放过程建模 该模型由受损的神经细胞组织,代表神经向导的生物材料基质,以及围绕两者的介质组成。在生物材料中,药物分子附着在肽上,而肽与基质结合。 可以分两种情况分析药物反应动力学:完美混合的环境和空间依赖的环境。 第一个系统是0D,只需求解药物随时间变化的动力学,使用“反应工程”接口描述反应系统。至于空间依赖的系统,它通过“稀物质传递”接口来显示药物是怎么样进入受损组织,并追踪分子的运动。如下图所示,神经导向器是具有3D结构的圆柱几何形状,可以利用轴向对称性将模型简化为2D结构。 神经细胞的空间依赖模型,生物材料神经导向器(左图,红色),以及周围环境的3D(左)和2D结构图(右)。 为了检查分子如何随时间释放,通过0D模型研究了两种类型的药物释放机制: 药物仅从肽上解离,而肽仍附着在基质上; 基质由于酶催化而降解,从而释放出药物-肽物质。药物一旦释放后,物质就会分离。 通过2D结构模拟,可以检查药物如何随时间在几何空间中扩散,确定导向器是否有助于药物正确靶向受损的神经。 此外,基质中可能存在多种反应。尽管我们在本文中没有详细介绍如何对这些反应进行建模,但是您可以在 COMSOL 网站“案例下载”页面,查看《生物材料基质中的药物释放》案例教程文档中的详细建模过程 在COMSOL®软件中评估药物反应动力学 完美混合的系统 下文中,您可以看到在这个神经导向器中,不同物质分子随时间变化的浓度。在模拟开始时,可以看到第一种药物释放机制发挥作用:药物的解离。与基质结合的药物-肽浓度迅速开始下降,而与基质结合的肽浓度却有所增加。这些变化也反映在药物浓度的快速上升中,会在短短的0.03秒内达到最大量(〜7.71 mol / m 3)。 随着生物材料的降解(总共需要约5000秒),在10~5000秒内第二种药物释放机理开始发挥作用。结果显示,未与基质结合的肽浓度的急剧增加,以及与基质结合的肽浓度的相应减少。但是,在这些变化过程中,药物的浓度保持恒定。 综上所述,这种稳定释放对于神经导向器的设计至关重要,因为药物剂量的变化可能会给患者带来严重的风险。 药物释放过程中物质的浓度变化。 很明显,药物释放是均匀的,所以接下来,让我们看一下药物如何扩散到神经和周围区域。 空间依赖的系统 如下图所示,您可以查看域内药物浓度在不同时间的分布情况。系统中的酶起源于细胞组织,因此当生物材料降解时,它有助于将药物引导至受损的神经。 到模拟结束时,最大浓度在神经中心,这意味着导向器成功地递送了药物。 此外,尽管此处未显示,但也可能观察到生物材料随着时间的降解情况。   药物在神经细胞组织,神经导管和周围环境中的浓度 下一步 生物工程师可以通过观察药物反应动力学,设计神经导向器和其他药物输送系统。通过创建这样的模型,他们可以测试不同的设计参数(例如时间、几何形状、物种的亲和力等),查看影响药物释放行为的因素。工程师甚至可以利用这些信息以及其他信息来优化其整体设计,从而评估混合生物材料如何影响结果。 如果您需要对药物反应动力学建模,请单击下面的按钮,将进入 COMSOL 网站 “案例下载” 页面,其中包括案例教程文档和 MPH 文件。您可以使用有效的软件许可证下载所需文件。 获取教程模型

使用COMSOL®软件仿真锂离子电池中的电极平衡

2019年 5月 16日

如果锂离子电池的电极平衡不正确,则电池开路电压将不会准确。在本篇博客文章中,我们将介绍电极中的物质守衡以及其是如何产生的,并使用COMSOL Multiphysics®软件演示了一个简易电池模型。通过该模型中使用的方法可以使电极实现平衡。此外,我们还将讨论如何将该方法用于高级建模,例如预测不同速率的充放电倍率容量并分析与电位相关的老化问题。 为什么电极平衡很重要? 电池单元由一个负极(放电过程中的阳极)和一个正极(放电过程中的阴极)组成。另外,在锂电池中,阴极上还原的锂离子的量必须等于阳极上氧化的锂原子的量。在电池工程中,平衡两侧的活性电极材料的数量至关重要。一种材料过多意味着有效地增加了电池的自重,因为如果另一种材料不能适当地平衡,则不可能100%的利用该电极的活性物质。 将电池充电和放电视为在两个杯子(电极)之间来回倒入能量饮料(锂)。鉴于一开始必须先装满一个玻璃杯(平整的),如何选择每个玻璃杯的尺寸以最大程度地减少容器的总体积,同时又要最大程度地增加倒出的液体的数量(容量)和流量(流量),而不会溢出(电池老化)? 在建模方面(对于同时定义正极和负极的任何模型),电极平衡具有重要意义,因为除非适当的平衡,否则电池模型的开路电势将是不正确的。(此外,如果您的开路电势不正确,这意味着您的模型甚至在未通电流时都是不准确的。) 下面从工程角度出发,讨论如何为特定容量的电池设计电极平衡。在此讨论中,我们将使用以下定义: 标准电池容量:在一定的充电/放电速率下,一组指定最大和最小电压限制的电池容量 宿主电池容量:每个电极中可以存储锂的位点数量 可循环锂:在循环过程中可从电极添加或去除的可循环锂原子的数量(两个电极的总和) 电极平衡理论 正极上的可循环锂 负极(石墨、钛酸盐、硅等)材料在制造时不含锂,或未完全锂化;而正极材料(锂金属氧化物,磷酸锂等)已完全锂化。因此,原始可循环锂的量等于正极的主体容量。最初的电极平衡方法是在正极上添加所需数量的电极材料,以达到电池的标称容量,并在负极上添加相应数量的电极材料。但是,这并不容易。 选择正极容量 在正电极上,高电势可能导致不可逆的电解质氧化和气体形成,或金属离子从氧化锂基体中溶解,完全脱锂也可能破坏基体。为了延长使用寿命(或为了安全起见),电池工程师必须指定最大电极电压。 本质上,该最大值意味着降低正极的允许锂化窗口,即在电池中必须使用比标准电池容量更多的正极活性材料(建模是评估各种充电倍率下电极中电势水平的绝佳工具,但这不是本篇博客文章的研究范围)。因为在正常操作范围内,只能允许利用一部分正极容量。因此,我们不能仅基于标称电池容量研究电极平衡,我们还需要考虑对负极的有害循环效应。 增加多余的负容量 在充电即将结束时,负极达到其最低电位。负极处的低电势对电池有害,因为这可能会加速固体电解质膜(SEI)的形成,电极电势开始接近锂金属电镀的电位。 如果在电池中发生锂金属镀层,则可能导致可循环锂的额外损失,并且还导致锂金属枝晶的生长,枝晶使电池存在短路的风险。此外,由于在接近完全锂化时电极的体积膨胀系数增加,导致低电位石墨制成电极存在机械破坏问题。 较大电充电流下产生的不均匀电流分布,会进一步加剧低电位及接近100%锂化的风险(建模可以帮助评估)。因此,相对于普通电池的标准容量,负极理论容量需要适当增加。但是,这也会是事情变得更加复杂。 化成与老化 新制电池的第一次充放电循环称为“ 化成”。在形成过程中,由于寄生反应(例如产生初始SEI膜的反应)而损失了少量可循环锂。这种损耗减少了可用于充电循环的锂量。 在循环过程中,析锂也可能会与某一电极的基体紧密地结合,以至于正常的充放电循环不能再进行。同样,颗粒破裂会导致活性物质与电极的其余部分失去连接。这种现象将减少可循环材料的数量和电极容量。 通常,平衡电池时会补偿不可逆的可循环锂的损失量和形成过程中的主体容量。但是,即使可以保持良好的平衡,并通过在设备中实施循环电压约束来最大程度地减少老化寿命,也无法完全解决这些问题。随着电池的老化,可循环的锂和活性材料将不断丢失,从而导致动态的平衡问题。 电极平衡与建模 模型中准确的电极平衡的重要性不容质疑。如果热力学(即开路电势)不正确,则根本无法通过调节电导率,交换电流密度和扩散系数来补偿,这意味着电池开路电压永远不会准确,也无法平衡。 在下文中,我们将介绍用于电极平衡的数学框架,并在两个不同的示例中使用该框架。 电极平衡的数学框架 需要三个物理电荷参数来定义电池单元平衡: Q\textrm{host,pos}(Ah) — 正极中的电量 Q\textrm{host,neg}(Ah) — 负极中的电量 Q\textrm{Li,tot}(Ah) — 两个电极中的总电量(可用于电化学反应) 对于每个电极,电极的锂化状态(SOL)定义为 \textrm{SOL}\textrm{pos} \equiv \frac{Q\textrm{Li,pos}}{ Q\textrm{host,pos}} 和 \textrm{SOL}\textrm{neg} \equiv \frac{Q\textrm{Li,neg}}{ Q\textrm{host,neg}} 其中,Q\textrm{Li,pos}(Ah) 和 Q\textrm{Li,neg}(Ah) 分别是存储在正极和负极中的锂原子的量。 现在,我们将介绍无量纲的参数Y。这些参数通过将相应的充电参数Q(Ah)除以电池的标准容量Q cell来实现无量纲: Yi = \frac{Qi}{Q\textrm{cell}} 为了定义电池的荷电状态(SOC),我们还需要将其中一个电极的锂化水平耦合到指定的SOC水平。 综上,需要四个参数来定义平衡模型: Y\textrm{host,pos}— 正极中无量纲的电量 Y\textrm{host,neg}— 负极中无量纲的电量 Y\textrm{Li,tot}— 无量纲的锂总电量 \textrm{SOL}{\textrm{neg},0}— SOC为0%时负极的SOL 电极的SOL可以写成下式: \textrm{SOL}\textrm{neg} = \textrm{SOL}{\textrm{neg},0}+\frac{\textrm{SOC}}{Y\textrm{host,neg}} 上述公式用于负极 \textrm{SOL}\textrm{pos} = \frac{Y\textrm{Li,tot}}{Y\textrm{host,pos}} – \frac{\textrm{SOL}{\textrm{neg}}Y\textrm{host,neg}}{Y\textrm{host,pos}} 上述公式用于正极。 当使用平衡表达式时,通常需注意,电极的无量纲电量直接与SOC和锂化程度有关,具体取决于 Y\textrm{host,neg}= \frac{1}{\textrm{SOL}_\textrm{neg,100} […]

通过建模了解肿瘤的电化学治疗

2019年 5月 2日

当前,最常见的癌症治疗方法有手术、化学疗法以及放射疗法,不过每种方法都具有重大风险。有一种较安全的替代方法是通过电化学治疗(EChT),该技术使用直流电消除恶性肿瘤。然而,在这项技术被广泛应用之前,医生们需要更好地了解其破坏机理,以便能够更好地制定剂量计划。

通过仿真防止大气腐蚀

2019年 3月 21日

如果您曾经生活在一个潮湿的地方,可能熟悉一种被称为大气腐蚀的现象,这种现象通常表现为生锈。大气中的金属腐蚀经常发生,以至于建筑和制造领域的专业人员经常使用某种形式的腐蚀防护(比如在金属表面上施加一层涂层)。为了有效地分析腐蚀过程并优化预防技术,工程师可以使用 COMSOL Multiphysics® 软件对大气腐蚀进行模拟。 寻找防止生锈的方法 大气腐蚀是一种电化学现象,当金属与电解质(如水)接触时就会发生。随着时间的推移,即使是 很少的一层水分膜 也足以对结构造成很大的破坏。经过一个漫长的冬天,当雪开始融化时,你放在门外的自行车就会出现生锈的迹象。造成大气腐蚀的其他因素包括 城市的空气污染 和 海洋环境中的盐 。   生锈的排气管。 由于环境的不可控和不容易预测性,许多工程师都会采用一些方法来保护他们的设计免受大气腐蚀。例如,根据环境的不同,制造商可能会选择使用比常见金属(例如钢和铁)更抗腐蚀的金属(例如铜和铝)。其他形式的保护还有在设计的产品上施加保护涂层,例如非贵金属涂层(如镀锌的钢,镀锡的铜)、油漆或防腐材料。   通过阴极和阳极保护减少腐蚀 另一种减少大气腐蚀的方法是采用阴极保护。与电解质接触的金属具有发生氧化(保护)的阴极区和发生还原(腐蚀)的阳极区。被腐蚀的金属通常被氧化,释放出的电子会参与阴极反应。尽管技术各不相同,但阴极保护涉及从外部电源(如电流)向金属提供电子的过程。阴极保护在一般环境下很有用,如金属暴露在水中。 在一些金属涂层,如镀锌钢结构中,锌就作为为阳极,当钢暴露在电解液中时,锌层就会受到破坏,锌相对便宜,从而保护阴极(钢)不被腐蚀。 还有其他阴极保护方法,如牺牲阳极或施加电流,但这些方法只有当物体浸入电解质(例如水)时才是有效的。 在某些环境中,还可以使用阳极保护。该方法通过施加可控的小阳极电流将金属偏置到无源区。该电流将产生一层薄薄的钝化膜层,从而 “阻止” 阳极腐蚀反应。它通常用于腐蚀性极强的环境中,如当不锈钢暴露于磷酸中时。 使用 COMSOL  Multiphysics 和其附加的 腐蚀模块,工程师可以评估结构中的阴极和阳极保护,电解质电位和腐蚀反应。举个例子,让我们看一下母线模型,母线是用于建筑物,车辆等分配功率的母线,因此会在许多不同的环境中受到大气腐蚀。 模拟母线的大气腐蚀过程 此大气腐蚀示例中的母线由多种材料和零件组成的: 铜质法兰 铝质法兰 锌质螺母和螺栓 母线由铜质法兰,铝质法兰,锌质螺母和螺栓组成。 每一个表面都会引起两个反应: 金属溶解,其中反应动力学由阳极 Tafel 表达式描述 氧气还原,其中反应动力学由阴极 Tafel 表达式描述 在该示例中,后一种反应(还原反应)受限于通过薄电解质层的氧气传输特性,极限电流密度取决于薄层的厚度,氧气的溶解度和氧气的扩散率。 设置好几何形状后,母线将暴露在潮湿的空气中开始腐蚀过程。首先,您可以使用“二次电流分布” 接口来求解电极域中的电位。然后,可以使用 “电流分布,外壳” 接口求解薄电解质层中的电解质电位。 电解质膜的厚度取决于盐负荷密度和相对湿度,而电导率和氧溶解度取决于周围空气的相对湿度。考虑到对相对湿度的依赖性,您可以采用在一般 “大气腐蚀”模型中 相同的表达式来获得电解质膜的厚度,电解质的电导率和氧溶解度。假定氧扩散率是恒定的。 在 COMSOL Multiphysics® 中评估仿真结果 首先探究不同类型金属的电位变化,这可以帮助您确定哪些区域更容易腐蚀。在左下方图像中,可以看到施加的电流 (100A) 会导致母线上的电位下降约 2.5 mV。 其次,您可以看到金属中的电位与电解质膜电位之间的差异(如右下方图示显示为电极电位相对于相邻参考点的变化),显示了大气腐蚀如何影响每种类型的金属。请注意,它在铜质法兰(红色)上为正,在锌质螺母和螺栓(浅蓝色)和铝质法兰(深蓝色)上为负,这表明在该模型中,相对于更贵重的铜材料,其他材料更容易腐蚀。 母线中的电位分布(左)。金属上的电解质电位与电解质薄层电位差异(右)。   现在,让我们看一下电解质薄层中的电位变化,其结果如下图所示。通过查看母线板上电解质薄层上的电位变化情况,您可以了解在阳极和阴极区域可能发生反应的位置。 母线板表面的电解质薄层上的电位分布。 研究阳极/金属溶解反应 要分析金属溶解反应,可以从密度变化的局部电流开始。如下图所示,该反应主要发生在铜质法兰与锌质螺栓(在锌表面)的交点处,也发生在铝表面的铜法兰和铝法兰之间。这些结果表明,正如预期的那样,局部腐蚀区域发生在两种不同的金属以及“非贵重”金属之间。 母线板外表面上金属溶解电极反应的局部电流密度。   研究阴极/氧反应 在阴极反应的结果中可以看到:氧还原反应发生在铝和锌的表面上。很明显,氧气的输运限制了腐蚀过程,因为局部氧还原电流密度的大小接近极限电流密度。 氧还原电极在母线板外表面的局部电流密度。 在研究了腐蚀过程并弄清楚每种类型的反应可能发生的位置之后,工程师们可以在考虑各种环境条件的情况下,设计能够更好地防止大气腐蚀的母线板。 下一步 如果你想自己模拟大气腐蚀过程,可以单击下面的按钮尝试此处介绍的母线模型。这样做将带您进入案例库中,其中包含此示例的文档以及相关的 MPH 文件(您需要有效的软件许可证才能下载此文件)。   母线板的大气腐蚀 – 模板文件


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