微纳纤维材料中气体输运特性的分形分析

Nano- and micro- fibrous materials are widely used in clothing、 medicine、 energy、aeronautics and astronautics and so on. For many applications of these materials, gas flow and gas diffusion are two important transport processes observed, so study of the mechanism of gas transport in fibrous media has scientific significance and practical values. The objective of this project is to study gas transport behavior in nano- and micro- fibrous materials based on its porous and fractal characteristics. The current project includes: (1) the statistical fractal scaling laws of fibrous materials will be analyzed, and then fractal characterized model of fibrous materials will be determined; (2) based on fractal theory, mathematical model between gas transport properties and micro-structures of nano- and micro- fibrous materials will be deduced, and the fractal analytical model will be built; (3) simulating gas transport process by the Monte Carlo method based on fractal theory, then the probability model of pore size and gas transport properties of nano- and micro- fibrous materials will be built, finally the impact of structure parameters on gas transport properties will be analyzed. It is expected that complete series of fractal theory,.Approaches and models for gas transport through nano- and micro- fibrous materials could be presented. The current project could provide theoretical basis and guidance for the optimization of the performance of fibrous materials, especially the design and application of fibrous materials.

微纳纤维材料广泛应用于服装、医药、能源和航空航天等领域。在上述应用中，气体流动和扩散是两个非常重要的输运过程，因此研究其中的气体输运机理具有重要的科学意义和实用价值。本项目拟根据纤维材料的分形标度行为，通过理论分析和数值模拟研究微纳纤维材料中气体的输运物理机理。具体研究内容为：（1）研究纤维材料的统计分形标度定律，确定纤维材料的多孔介质分形表征模型；（2）基于多孔介质分形理论，研究和推导气体输运特性参数与微纳纤维材料微观结构之间的数学模型，建立气体输运特性参数的分形解析模型；（3）采用基于分形理论的Monte Carlo方法模拟气体输运过程，建立微纳纤维材料中孔隙大小和气体输运特性的概率模型，分析介质结构参数对气体输运特性的影响。通过本项目的研究，提出一套较完整的描述微纳纤维材料中气体输运的分形理论、方法和模型，为优化纤维材料的性能，特别是纤维材料的设计和应用，提供理论依据和指导。

纤维材料在人类发展中占据着重要的地位，它的应用历史悠久，已经涉及各行各业。特别随着纤维材料的制造工艺和技术的不断进步，纤维直径越来越小，达到微米，甚至更小，研究该种微纳纤维材料中的气体输运物理机理具有非常重要的研究意义和应用价值。本项目采用分形几何理论与技术，在研究微纳纤维材料微观结构的基础上，提出了一套描述微纳纤维材料中气体输运过程的数学模型。在本项目的执行过程中，主要的研究工作内容如下：.1. 根据多孔介质结构的特殊性，分别采用一束正弦收缩性毛细管道模型，基质介质嵌入随机分布的类分形树状分叉网络，及具有粗糙壁面的毛细管道模型，来表征多孔介质的复杂结构，分别建立了三种不同模型中气体的扩散系数的分形模型，同时探讨了多孔介质结构参数对气体扩散行为的影响机理。.2. 以燃料电池中的气体扩散层这种维纳纤维材料为研究对象，专门分析了该介质中孔隙的特征，采用具有粗糙表面的多孔介质模型表征气体扩散层，研究了气体通过其中的流动机理，获得了气体渗透率的分形模型。.3. 专门研究了滑移流区，气体在具有粗糙壁面的多孔介质中输运过程，推导了气体表观渗透率的分形模型，然后根据Klinkenberg方程，得到了气体滑移系数的分形模型，并将该模型与许多经验模型进行了对比。.在项目执行期间，共发表SCI论文6篇，其中第一作者SCI论文4篇，参加国际学术会议1次，国内学术会议3次，并赴美国康奈尔大学纤维科学与服装设计系公派访学1年，协助指导硕士生3人。.本项目的研究结果研究了微纳纤维材料的微观结构对气体输运过程的影响机理，推导了气体输运特性（比如气体扩散系数、气体渗透率等）的分形模型，这些模型不包含任何经验常数，每一个物理变量都具有明确的物理意义，对优化纤维材料的性能和功能性面料的开发等具有重要的理论指导意义，具有一定的学术价值和应用前景。