基于 XRCT 数值模拟透水路面混合料在现场和实验室的渗透特性

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一、概述 透水路面混合料的排水能力通常使用变水头渗透仪在远高于现场预期的水头下测量。在实验室中准确评估渗透性对于避免排水性能的严重高估或低估至关重要，这将会影响设计参数如孔径、出水管和排水系统，以及选择适当的级配和厚度，这些因素直接影响路面的成本和现场预期功能。 计算流体动力学（CFD）和基于 X 射线计算机断层扫描（XRCT）建模的最新研究进展则消除了保持较低水头的实验室挑战。然而，数字图像处理（DIP）和有限体积模拟中的不当表征会导致渗透率测量和流体流动行为的显著误差。过往研究确定了在透水路面混合料中遵循 Izbash 和 Forchheimer 定律的非达西流体流动特性，本研究通过使用先进的基于 XRCT 建模方法比较不同实验室和现场水头下的达西和非达西渗透参数，有助于更好地理解目前实验室测量的局限性，为开发更精确的渗透仪或更好的路面排水设计提供新的见解。 二、亮点 开发可以模拟现场水力梯度下流体流动特性的数值模型 比较实验室和现场水头下的达西和非达西渗透参数 由适当的 DIP 算法和速度获得雷诺数表征流体流动状态特性 三、试样制备和实验 使用单一尺寸和密级配骨料制备三种不同的圆柱形透水混凝土混合物试样，记为 P1、P2 和 P3。每种试样有三个，如表示为 P1-1、P1-2、P1-3。混合物中包含粗骨料、I 型水泥、高效减水剂，水灰比为 0.3。 表1：不同试样的骨料级配 采用 ASTM C1754-12 标准测定透水混凝土试样的有效孔隙率。使用变水头渗透仪测定非达西渗透系数和流动指数，施加从 150 到 25 mm的上游水头并保持恒定的下游水头，通过测量和分析流速获得渗透参数。 四、模拟 4.1 扫描和图像处理 采用西门子 Somatom Emotion 医用 X 射线 CT 扫描设备获得透水混凝土图像，体素尺寸为 0.326 × 0.326 × 0.7 mm。将扫描数据导入 Simpleware 软件进行图像处理，基于阈值分割透水混凝土试样的固体相和孔隙相，在 Simpleware FE […]

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采用增材制造点阵设计增强医用植入物的功能性

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一、概述 抗生素耐药细菌种类的增加推动了对最小化感染风险医疗器械的需求。抗菌功能可以通过修改植入物的设计实现，即并入一个局部释放治疗剂的储存库，因此维持植入物的机械功能至关重要。本研究通过增材制造探索可能实现设计灵活性的机会，开发多种内部多孔晶格结构模型用于最大限度地提高装载药物体积，同时保持髋关节植入物的承载能力。 图1：髋关节植入物的 CAD设计（a）传统植入物（b）晶格设计提供装载治疗剂的孔隙空间 二、设计、模拟与制造 2.1 晶胞设计 目前二期髋关节翻修占位器的使用寿命有限且无法承受患者的全部负荷，本研究对其具有内部晶格的结构优化进行研究。晶格根据多孔金属压缩试验国际标准 ISO 13314 设计，选择压缩晶格直径 Do 和 高度 Ho 均为 15 mm的圆柱体试样，遵循 Ho = Do ~ 2 Do，试样直径与平均孔径 da 的关系为 Do ≥ 10 da。值得注意的是，M2 Cusing SLM 系统（德国 Concept Laser）的分辨率要求最小支柱直径约为 0.2 mm 才能达到可接受的零件质量。 使用 Simpleware 软件创建 8 种不同晶胞类型的压缩晶格结构。为能够加入最大体积的治疗剂，每种晶胞类型的目标体积分数（固体与孔隙的比率）以 10 为增量递减，直到在保持所有设计参数的情况下确定最低可能的体积分数。晶胞周期（沿轴填充图像域的晶胞数量）在 X、Y 和 Z 方向上相同，以 5 为步长变化。随着体积分数降低或晶胞周期增加，支柱直径会减小。因此，在确定可能的最低体积分数后，为每个压缩晶格设计最高的晶胞周期，这将为每种晶胞类型提供在 SLM 设备限制范围内的最小支柱直径。 2.2 有限元分析 在 Simpleware FE 中为每个晶格结构生成高质量的四面体网格模型，导入 Comsol Multiphysics 软件进行有限元分析。轴向施加 2300 N，底面施加所有方向的固定约束。设置 […]

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添加2,5-二甲基呋喃对正庚烷/异辛烷的碳烟纳米结构演变分析:实验研究与ReaxFF MD模拟(Combust. Flame 2024)

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研究背景 生物燃料作为一种可再生能源，其性质与普通汽油和柴油非常相似。呋喃类生物燃料作为最具代表性的第二代生物燃料具有众多优点，如生产原料主要为纤维素而非粮食以及油料作物，不会与国家粮食保障的规定形成矛盾，并且此类生物燃料与石油的能量密度相当，这样将其与石油燃料混合不会引起发动机性能结构的重大改变。2,5-二甲基呋喃 (DMF) 是一种典型的呋喃类生物燃料，具有许多优点：能量密度与汽油相似、高沸点以及不溶于水等。基于此，本文主要进行DMF对正庚烷/异辛烷的碳烟纳米结构演变研究。 研究方法 结合层流扩散燃烧实验，本文采用 AMS 软件中 ReaxFF MD方法模拟研究了2,5-二甲基呋喃掺混对正庚烷/异辛烷的碳烟纳米结构演变。 成果简介 研究表明，随DMF掺混比的增加，正庚烷/异辛烷的层流扩散火焰高度逐渐升高。在高度一致的情况下，采集到的初级碳烟颗粒数量先减小后增加；初级碳烟颗粒的尺寸也随着DMF掺杂比的增大先增大后减小。透射电子显微镜（TEM）分析表明，DMF最初抑制了正庚烷/异辛烷火焰中初级碳烟颗粒产生，随后又促进了其生长。随着DMF掺混比的增加，核壳比先增大后减小，这表明碳烟的成熟度先减小后增大。在ReaxFF MD模拟中，掺混了DMF的正庚烷/异辛烷热解过程分为：燃料在第一阶段分解，在第二阶段发生剧烈反应。碳烟前驱体持续发生反应，分子尺寸不断增大，多环芳烃（PAHs）持续增加。第三阶段，最大分子的含碳原子数缓慢增加，碳烟发展进入成熟阶段，H/C比值缓慢下降。通过ReaxFF MD模拟发现，随着DMF掺混比的增加，碳烟的成熟度呈现先减小后增大的趋势。类石墨烯结构主要集中在H/C比为0.297的区域。 图文导读 图1 图形摘要 图2 最大分子特性和最终产物生成分析: (a)在4.5 ns下最大分子的结构; (b) 在不同DMF掺混比下，在4.5 ns时最大分子的碳原子数和H/C比; (c)在4.5 ns下H2、CO和C2H2的百分比 图3 在2.7 ns时碳烟的结构图 参考文献 W. Dong, R. Hong, Y. Yang, D. Wang, B. Qiu, H. Chu. Analysis of the nanostructure evolution of soot in n-heptane/iso-octane with 2,5-dimethylfuran addition: A combined experimental study and ReaxFF MD […]

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基于 μCT 的纤维增强微观结构建模

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概述 对纤维增强复合材料（FRC）进行基于 μCT 图像建模的有限元分析，可增强复杂材料在各种负载场景和环境下如何变形、损伤及失效的理解。为准确模拟 FRC 的性能，有限元网格必须明确表征典型微观结构的复杂性，包括波状和随机间隔的纤维、不规则形状的制造缺陷（如孔隙）、预先存在的损伤（如微裂纹）和周围基体。本研究提出了一种将 μCT 图像数据转换为高质量网格模型的方法，并进行双轴和单轴有限元模拟。 图1：将断层扫描数据转换为高质量 FE 网格模型的步骤 扫描和图像处理 在先进光源 X 射线 μCT 光束线下对井字格尼龙 66 降落伞织物进行原位双轴加载试验，扫描设置体素尺寸为 1.3 μm。重建图像堆栈为 3.3 × 3.3 × 2.8 mm，裁剪 0.57 × 0.55 × 0.21 mm 的感兴趣区域（ROI）用于研究。使用 Zeiss Versa-500 X 射线 μCT 3D 电子显微镜对单向 AS4/8552 碳/环氧树脂复合层压板进行扫描，体素尺寸为 0.46 μm。图像堆栈最终尺寸为 430.56 × 448.04 × 436.54 μm，分别裁剪 96.6 × 96.6 × […]

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【重庆大学李海涛教授】无机磷酸铵盐抑制甲烷/煤尘混合爆炸的反应行为和机理：ReaxFF MD 结合 DFT 研究（Chem. Eng. J 2024）

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研究背景 无机磷酸铵盐粉体由于其优良的抑爆性能长期以来被人们广泛关注，其对瓦斯煤尘复合爆炸的有效性已经在众多实验及工程现场得到充分验证，主要通过定性定量分析无机磷酸铵盐粉体如 NH4H2PO4、(NH4)2HPO4 等对瓦斯煤尘复合爆炸压力演化、火焰传播等宏观特征的影响，然而无机磷酸铵盐粉体抑爆剂抑制瓦斯/煤尘复合爆炸的详细反应过程及其微观作用机理尚未了解。 研究方法 为了揭示无机磷酸铵盐粉体抑爆剂抑制瓦斯/煤尘复合爆炸的详细反应过程及其微观特征，研究团队采用反应力场分子动力学（ReaxFF-MD）与密度泛函理论（DFT）相结合的数值模拟方法对无机磷酸铵盐在抑制瓦斯煤尘混合爆炸反应中的分子动态演变过程及潜在反应机理进行了深入的研究。本研究为无机磷酸铵盐粉体抑制爆炸的反应进程提供了更多见解，有助于开发设计高效的抑爆剂。 图1 NH4H2PO4 及 (NH4)2HPO4 抑制瓦斯煤尘复合爆炸反应路径及作用机理 主要研究结论 相同质量分数的NH4H2PO4对CO2的抑制作用更显著，(NH4)2HPO4则生成更多H2O，在反应过程中无机磷酸铵盐抑制剂不仅对复合爆炸过程中CH4的初始反应步骤产生影响，同时吸收爆炸反应进程中的活性自由基(H/O/OH)及中间产物(CH3/CH2O)以阻抑链反应的继续发展。其中，NH4H2PO4主要通过HPO3→PO2→PO→HPO2→HPO3循环反应路径进行抑制，而(NH4)2HPO4在此基础上增加了H2PO4→H3PO4→H2PO3→H2PO4、HPO3→HPO2→H2PO3→H2PO4→HPO3两条循环反应路径。此外，NH4H2PO4的加入使C40+的分解速度下降35.3%，(NH4)2HPO4的加入使C40+的分解速度下降47.2%。同时，由于无机磷酸铵盐团聚效应及吸水效应，模拟过程中抑制剂的最佳抑制浓度表现为1：1。该浓度下，抑制剂的加入不仅延迟了复合爆炸过程中脂肪键、醚氧桥键断键的时间即煤分子分解时间，同时延迟了煤分子开环反应的时间即煤分子氧化时间。随着抑制剂质量分数的增加，其更易吸附大量水分子及含磷化合物，使原本开环反应后的物质重新连接而形成新的大分子基团，以阻抑反应的下一步氧化分解。 参考文献 Reactive behaviors and mechanism of methane/coal dust hybrid explosions inhibited by NH4H2PO4 and (NH4) 2HPO4: A combined ReaxFF-MD and DFT study, Chemical Engineering Journal, 2024, DOI: 10.1016/j.cej.2024.155577

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检测不同髋关节手术后髂腰肌肌腱炎的新型模拟

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概述 髂腰肌肌腱炎通常由髂腰肌肌腱和髋臼杯之间的撞击引发，影响约 18% 的全髋关节置换术（THA）和 30% 的髋关节表面置换术（HRA）患者。已研究开发出一种用于检测髂腰肌撞击的新型模拟，且在 THA 患者中验证。 本项目将验证扩展到 HRA 患者，比较 THA 和 HRA 患者的结果。使用 Simpleware 软件对 12 名患者的两组 CT 扫描数据进行分割、标记、导出后进行模拟。结果表明，模拟能够显著预测髂腰肌肌腱炎，并在 THA 和 HRA 患者的研究中区分有症状和无症状队列。这种新颖的模拟将为术前髋臼杯的放置决策和术后髂腰肌肌腱炎诊断提供助力。 亮点 已开发并验证一种检测髂腰肌撞击的新型模拟 在 Simpleware 软件中分割和标记 CT 扫描数据 模拟可显著预测髂腰肌肌腱炎 改善术前和术后手术决策 介绍 髋关节表面置换术（HRA）是全髋关节置换术（THA）治疗终末期髋关节骨关节炎（OA）的替代手术方案。与 THA 相比，HRA 具有相同的翻修率，同时保留了更多的骨量，能够更好地恢复天然生物力学。然而，腹股沟疼痛和髂腰肌肌腱炎仍是 HRA 后的常见并发症。最常见的原因是由于髋臼植入物的偏位、前倾不足或尺寸过大等因素造成髋臼杯前缘与髂腰肌肌腱的撞击。 本研究在前期 THA 模拟的基础上，通过对有症状和无症状患者的病例对照研究，探讨 HRA 患者髂腰肌肌腱炎的发生机制。然后将这些结果与先前收集的 THA 结果进行比较，研究臼杯撞击和肌腱炎机制的差异。 本研究对两个假设进行检验。首先，有症状 HRA 患者队列在仰卧位和站立位的撞击程度均显著高于无症状 HRA 患者。其次，由于与 HRA 相关的髋臼杯较大，有症状 […]

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极端条件下运行的锂金属电池的合理电解质设计（Journal of Materials Chemistry A, 2024）

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摘要 开发能够在极端条件下运行的锂金属电池电解质是一项重大挑战，并且往往因缺乏系统的溶剂筛选研究而受到阻碍。在这项研究中，通过 DFT 和 COSMO-RS 计算，来评估包含20种溶剂的190种二元混合物，以识别具有宽液体温度范围和高LiTFSI溶解度的电解质。四亚甲基砜（TMS）因其高沸点和低熔融焓而成为一种有前景的候选者，这会提高混合物中的泡点并降低共晶温度。利用具有七个σ描述符的机器学习模型，精确预测了Li和TFSI离子结合能。这些结合能主要受到强静电和范德华相互作用的影响。这种综合方法突出了DFT、COSMO-RS和机器学习技术相结合在指导电解质设计方面的有效性。 参考文献 Rational electrolyte design for Li-metal batteries operated under extreme conditions: a combined DFT, COSMO-RS, and machine learning study, J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 15792

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从分子层面理解使用深共晶溶剂从酚类化合物中分离中性油（Sep Purif Technol, 2025）

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目前从煤直接液化油中，分离酚类化合物的过程，需要解决产生含酚废水，以及产品中中性油含量不达标的紧迫问题。北京化工大学与太原师范大学合作研究中，使用 AMS 软件中的 COSMO-SAC 模型来预测深共晶溶剂（DES）对酚类化合物的分离性能，并根据固液相图确定了潜在的萃取剂及其液相操作窗口。

采用低成本、稳定、高效的萃取剂 LC:TEG（1:3.3）DES 进行实验，探索实验条件的影响。通过量子化学和分子动力学模拟的可视化方法，探索了结构-活性关系，提出了一种多级闪蒸联合蒸馏去除中性油的方法。建立了萃取与蒸馏相结合的工艺，得到中性油含量仅为0.31%的间甲酚产品，中性油含量首次降至1%以下，满足工业要求。

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通过 COSMO-RS 预测药物与聚合物的相容性

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最近捷克共和国布拉格化工大学Michal Fulem课题组，使用 AMS 软件的 COSMO-RS 模块预测 10 种活性药物成分（API）与聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）K12 的固液平衡（SLE）曲线。作者采用两种基于 COSMO RS 的方法，即“传统方法”和“快速方法”，并对二者的性能进行了比较。通过逐步溶解（S-WD）方法获得的各自 SLE 数据集进行比较，评估预测 SLE 曲线的准确性。

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通过有限元模拟预测 3D 打印多孔钛牙种植体的疲劳寿命

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牙种植体必须承受施加在天然牙齿上的咀嚼负荷，这些重复的力可能会导致种植体松动或失败。在牙种植体中加入孔隙可增加与骨骼的接触表面积和作为药物输送装置，从而改善长期稳定性和降低失效风险。

加入多孔特征会削弱种植体的机械能力，但必须确保足够的疲劳强度，而根据 ISO 14801 测试各种多孔结构的成本高昂且耗时。本研究对 3D 打印多孔钛牙种植体试样进行机械性能测试，建立耐久极限（即无限疲劳寿命）与单调荷载至失效之间的关系，开发和校准有限元模型预测给定多孔结构的疲劳寿命。

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  • 基于离域激子特性实现完全可逆的单超原子光电子开关研究背景 在信息技术飞速发展的背景下，电子器件正朝着微型化、集成化、多功能化、智能化及网络化方向不断演进。其中，微型化与集成化是支撑这一趋势的关键基础。从原子与分子尺度出发构建功能器件，不仅顺应了器件尺寸持续缩小的需求，也为在原子层面探索材料的本征特性与量子效应提供了独特平台。团簇作为介于原子、分子与宏观凝聚态物质之间的新兴结构层次，是由数个至数千个原子、分子或离子通过物理或化学作用形成的稳定微观聚集体。它们具备精确的化学组成与原子排列，表现出显著的量子尺寸效应与类分子特性。原子精度可控的配体保护金属纳米团簇不仅保留了裸团簇的类分子电子结构，还具有制备工艺简便、环境稳定性高等优点，被视为在室温条件下实现单分子光电子器件大规模制备最具潜力的功能材料之一。 研究内容 扬州大学裴玮副教授和华南师范大学周思教授课题组合作，采用含时密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，以双膦配体保护的 Au13 超原子团簇为母体结构，通过掺杂原子与 Au12 空笼间的电子耦合诱导形成独特的超原子构型，从而改变了光激发过程中电子转移的能垒。具有 18 个价电子的超原子团簇表现出显著的激子离域特性，并因此产生较大偶极矩。通过与金电极经由卤化物连接体实现共价键合，所构建的单团簇结在低栅压（0.50 [...]
  • 交错磁中相干隧穿磁阻的异常厚度缩放特性研究背景 磁隧穿结（MTJ）是自旋电子学中的基本组成部分，通过巨磁电阻效应实现非易失性存储功能。减小 MTJ 厚度是提升存储密度、高速操作和自旋轨道耦合效率的关键。最近，新型磁体–交错磁（AM）材料因具有在实空间和动量空间中的交替自旋极化受到了广泛关注，它们表现出巨大的自旋劈裂而不具备净磁矩，成为超紧凑型 MTJ 集成的理想平台。在传统 MTJ 中，隧穿磁阻（TMR）通常会随着势垒厚度的增加而增大，这是因为反平行态下电子的隧穿衰减速度比平行态更快。本工作揭示了一种在交错磁隧穿结（AMTJ）中 TMR 随着势垒厚度增加而减小的反常规律，这是由于交错磁的能带中自旋简并部分形成了一条在反平行态下无法被抑制的隧穿通道，该现象进一步在二维 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O 和 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 中得以验证。 研究内容 本文首先对 AMTJ 的 TMR 随着厚度变化的物理机理进行理论分析并提出双势垒模型，将自旋劈裂的费米面分为外部区域 A 和中心区域 B。在 AP 配置中，左右电极的 Néel 矢量是反平行的，区域 A 的自旋匹配问题使得该区域的电子透射可以有效抑制，被称为有效区域。而区域 B 的传输通道在 AP 配置下仍然保持开启，因为自旋分裂的两个费米面重叠，形成了一个自旋简并的传输通道，在 P 和 AP 状态下都保持开放，也被称为无效区域。根据隧穿理论，TMR 随着中间层厚度的变化可以用以下公式表达： 其中 kA 和 kB 分别为区域 A 和区域 B 的衰减系数。本文探讨了两种情景下的 TMR 行为：当 kA 小于 kB 时，TMR 随势垒厚度增加而增加，符合传统的缩放规律；而当 kA 大于 kB 时，表现为反常的缩放现象。 图1.（a）传统 MTJ 和（b）AMTJ 中的隧穿机制；（c）平行态配置中，区域 A 和 B 的电子态都参与隧穿；（d）反平行配置中，区域 A 的电子态传输被抑制，但区域 B 的电子态仍有传输。 随后采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，研究具有不同势垒厚度的 V2Te2O/Cr2Se2O/V2Te2O 和 V2Te2O/ZnSe/V2Te2O AMTJ 器件以验证这一反常规律。首先，通过计算能带结构，V2Te2O 和 Cr2Se2O 分别为二维交错磁金属和交错磁半导体，且均具有 d 波各向异性。 [...]
  • 保留髋关节骨骼的定制植入物设计概述 髋臼骨溶解是髋关节置换术的常见并发症，由于植入物周围骨质流失导致松动将影响长期疗效。骨质流失的原因包括金属对聚乙烯轴承的磨损和假体周围感染，引发炎症从而破坏骨组织。 传统的 X 射线难以有效检测骨溶解，限制了骨质流失的早期识别，而 CT 扫描为规划翻修治疗评估骨质流失则更精准。英国皇家国家骨科医院（RNOH）的 Simpleware 软件用户通过 3D 打印的定制植入物重建严重的骨缺损并恢复丢失的骨结构。RNOH、Synopsys 和 implantcast [...]
  • 解析燃料与载氧体的相互作用：化学链燃烧中H2、CH4和CO在掺杂铁基载氧体表面位点特异性吸附机理与驱动机制研究研究背景 反应物在固体表面的吸附行为是研究反应机理的关键。在化学链燃烧中，铁基载氧体通过氧化还原反应传递晶格氧实现燃料高效利用。过渡金属掺杂可显著提升其反应活性，但掺杂引起的微观结构变化对H₂、CH₄、CO 等小分子燃料吸附行为的影响机制尚不明确。本研究采用 DFT 计算，系统研究气体分子在纯相及过渡金属掺杂铁基载氧体表面的吸附能、电子结构和相互作用机制。 研究内容 采用 AMS 计算软件中 BAND [...]

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