Analysieren des Porenraum

PoroDict

PoroDict ist neben MatDict das Modul zur Strukturmodellanalyse poröser Medien, wobei PoroDict zur Analyse des Porenraums eingesetzt wird. Bei der Bestimmung der Porencharakteristik von 3D Modellen kann der Nutzer sowohl reale CT-, µCT- oder FIB/SEM-Bilddaten als auch mit GeoDict generierte Modelle untersuchen.

Die wichtigsten Eigenschaften zur Bestimmung des Porenraums sind:

  • Geometrische Porengrößenverteilung
  • Porengrößenverteilung mittels Porosimetrie
  • Größte Durchgangspore

Anwendungsbeispiele

  • Geometrische Struktureigenschaften von dreidimensionalen Sandsteinmodellen bestimmen [1]
  • Untergrundsproben bezüglich ihrer Eignung zur Gewinnung von Gas bzw. Öl analysieren
  • Porositäten von Materialien zur Herstellung von Batterien analysieren
     

GeoDict setzt mit PoroDict Standards

PoroDict wird im ASTM International Standard für die Spezifikation und die Testverfahren bei Drahtgeweben empfohlen.

Lesen Sie mehr

Visualisierung von Beispielen

PoroDict Funktionen

Geometrische Porengrößenverteilung (Pore Size Distribution, PSD) 

Diese rein geometrische Methode bestimmt die Porenradien, indem der Porenraum mit Kugeln gefüllt wird. Hierbei wird nicht zwischen offenen, geschlossenen und blinden Poren unterschieden.

Porengrößenverteilung (PSD) mittels Porosimetrie

Diese Methode ermittelt äquivalent zu experimentellen Porosimetriemethoden, z.B. MIP (Mercury Intrusion Porosimetry) oder LEP (Liquid Extrusion Porosimetry) das Volumen eines nicht-benetzenden Fluids (z.B. Quecksilber) das unter Druck in die Poren gelangt. Diese Methode arbeitet ähnlich wie die geometrische Porengrößenverteilung, berücksichtigt jedoch die Konnektivität zu den eindringenden und geschlossenen Poren.

Größte Durchgangspore (Percolation Path)

Diese Methode bestimmt den maximalen Durchmesser einer Kugel, die sich durch das Medium bewegen kann, und den dazugehörigen kürzesten Pfad. Es können z.B. auch die fünf größten Durchmesser (mit dazugehörigen kürzesten Pfaden) oder die acht kürzesten Pfade (mit einem bestimmten Durchmesser) ermittelt werden. Der Weg der einzelnen Kugeln durch den Porenraum kann unter anderem visualisiert und animiert werden.

Die Oberfläche (Surface Area)

Die Oberfläche eines Materials wird mittels einer statistischen Methode berechnet [2], bei der sich die gerundete Oberfläche des Materials korrekt annähert. Dabei wird zusätzlich die Oberfläche der Voxel bestimmt.

Offene und Geschlossene Porosität (Open and Closed Porosity)

Hierbei wird die Anzahl und das Volumen von offenen und geschlossenen Poren berechnet. Offene Poren führen von der Materialoberfläche ins Innere und bilden Netzwerke von miteinander verbundenen Poren. Wohingegen geschlossene oder isolierte Poren nicht mit der Oberfläche verbunden sind.

Der Drei-Phasen-Kontakt (Three-Phase Contact Line)

Es wird die Länge der Kontaktlinie von drei Phasen eines Systems auf Basis der Voxel-Kanten in den kartesischen Richtungen berechnet. Die Länge der Kontaktlinie hängt stark von der Topologie der Struktur ab und beeinflusst z.B. die Qualität eines Katalysatormaterials.

Identifizierung der Poren durch den Watershed-Algorithmus

Der Porenraum wird mittels des Watershed-Algorithmus segmentiert. Anschließend wird auf Basis der Segmentierung die Anzahl und die Verteilung der Poren berechnet. 

Sehnen-Längen-Verteilung (Chord Length Distribution, CLD)

Mit der Sehnen-Längen-Verteilung können poröse Medien genau verglichen werden. Die Bestimmung der Sehnen-Längen-Verteilung ist auch für 2D Querschnitte möglich, für welche die Poren-Größenverteilung mit der geometrischen PSD oder die PSD mit Porosimetrie nämlich nicht bestimmt werden kann.

Euklidische Abstandstransformation (Euclidean Distance Transform, EDT)

Gibt den Abstand eines beliebigen Punktes im Porenraum (Voxel) zur nächstgelegenen geschlossen porigen Begrenzung an.

Der Blasenpunktdruck

Der Blasenpunktdruck wird auf Basis der größten Durchgangspore und der Young-Laplace-Gleichung berechnet.

Welche zusätzlichen Module werden benötigt?

  • Für die Grundfunktionalität wird das Paket GeoDict Base benötigt
  • ImportGeo-Vol: für den Import und die Segmentierung der µCT-Bilder und die Generierung der 3D-Strukturmodelle für die Analyse 
  • Module aus dem Digitalen Materialdesign zur Erstellung von 3D-Strukturmodellen in GeoDict

Referenzen

[1]: S. Berg, H. Ott, S.A. Klapp, A. Schwing, R. Neiteler, N. Brussee, A. Makurat, L. Leu, F. Enzmann, J.-O. Schwarz, M. Kerstern, S. Irvine, and M. Stampanoni Real-time 3D imaging of Haines jumps in porous media flow, Proceedings of the National Academy of Sciences US (PNAS), Vol 110, No.10, pp.3755-3759, 2013.

[2]: J. Ohser and F. Mücklich, Statistical Analysis of Microstructures in Materials Science, Wiley and Sons, 2000, p. 115