表面反應(yīng)
關(guān)注創(chuàng)建者：一條馬叉蟲 創(chuàng)建時間：2019-05-04
表面反應(yīng)的實例教程
課程名稱：基于ANSYS Fluent軟件的顆粒表面反應(yīng)專題應(yīng)用培訓(xùn)
預(yù)排開課日期：4/11-4/12
課程難度：高階級
培訓(xùn)費：5000
備注：實際開課日期或因?qū)W員報名情況進行調(diào)整，最終日期請以笛佼科技官方確認為準。
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學(xué)員能力提升目標
· 了解ANSYS化熱反應(yīng)/燃燒相關(guān)解決方案
· 熟悉ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)的類型及應(yīng)用場景
· 掌握ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)速率的常用定義方式：標準界面/UDFs
· 掌握ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)的常用分析流程
· 熟悉顆粒表面反應(yīng)的常見案例
授課內(nèi)容提綱
一、化學(xué)反應(yīng)模擬概述及ANSYS化學(xué)反應(yīng)解決方案介紹
二、ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)類型及設(shè)置簡介
三、ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)速率UDFs定義介紹
四、ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)案例分享
4.1、金屬顆粒表面反應(yīng)應(yīng)用案例分享
4.2、碳酸鈣顆粒分解反應(yīng)應(yīng)用案例分享（基于缺省表面反應(yīng)速率定義方式）
4.3、碳酸鈣顆粒分解反應(yīng)應(yīng)用案例分享（基于UDFs方式定義表面反應(yīng)速率）
4.4、煤氣化應(yīng)用案例介紹(體積反應(yīng)/顆粒表面反應(yīng))
師資力量
CAE行業(yè)資深工程師團隊，學(xué)歷碩博為主，均擁有多年客戶仿真項目實操經(jīng)驗，理論素養(yǎng)與實戰(zhàn)經(jīng)驗雙保險。
培訓(xùn)優(yōu)勢
采用線下小班精講形式，理論知識+案例講解+上機輔導(dǎo)，附贈培訓(xùn)相關(guān)資料，可獲取講師微信課后交流。
上課地址
上海市楊浦區(qū)國安路432號保輝國際大廈D座802室
其他說明
1. 培訓(xùn)計算機及相關(guān)軟件操作權(quán)限由笛佼科技現(xiàn)場提供；
2. 培訓(xùn)結(jié)束后將獲取笛佼科技官方培訓(xùn)證書；
3.
展開 【引言】
鉑基催化劑表面的氧還原反應(yīng)（ORR）是燃料電池最重要的陰極反應(yīng)。雖然經(jīng)過幾十年的研究，ORR的具體反應(yīng)路徑并沒有真正解析清楚。人們一般認為鉑表面的ORR過程可分為兩類：一類是氧分子經(jīng)過4電子的還原過程最終生成H2O或OH；另一類則是氧分子經(jīng)過2電子的還原過程生成過氧化物。但實際鉑基催化劑表面的ORR過程的具體反應(yīng)路徑并未形成共識，因為該過程牽涉到眾多痕量、短壽命的中間物種，難以被有效地捕獲。同時復(fù)雜的電化學(xué)環(huán)境也給ORR反應(yīng)路徑和機理的研究帶來挑戰(zhàn)。雖然原子級平滑的單晶表面具有確定的表面原子排布結(jié)構(gòu)以及表面能級，是關(guān)聯(lián)實驗和理論的理想模型體系。然而原子級平滑的單晶表面難以獲得增強的拉曼信號，無法獲得ORR反應(yīng)直接的光譜證據(jù)，限制了人們對ORR反應(yīng)過程的理解和高活性催化劑的制備。李劍鋒教授課題組首次利用電化學(xué)殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜（SHINERS）技術(shù)，原位研究了Pt(hkl)單晶表面的ORR反應(yīng)過程。
【成果簡介】
近日，廈門大學(xué)的李劍鋒教授和西班牙Alicante大學(xué)的Juan Miguel Feliu（共同通訊作者）等人，采用原位電化學(xué)殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜（SHINERS）和密度泛函理論（DFT），研究了Pt(hkl)單晶表面的ORR反應(yīng)過程。該研究在Pt(111)單晶表面獲得ORR中間物種HO2*的光譜證據(jù)，在Pt(110)和Pt(100)單晶表面，則獲得ORR中間物種OH*的光譜證據(jù)。而在堿性條件下，他們在Pt(hkl)三個基礎(chǔ)單晶表面獲得ORR過程的中間物種O2-的光譜證據(jù)。
展開 1、成相膜理論(“物理隔離”)
成相膜理論認為，鈍化的核心是金屬表面生成了一層獨立的固相保護膜。當(dāng)金屬發(fā)生陽極溶解時，溶解產(chǎn)生的金屬離子與介質(zhì)中的氧、氫氧根等粒子結(jié)合，在金屬表面沉積形成一層致密、覆蓋完整的固體產(chǎn)物薄膜。這層薄膜如同給金屬穿上了一件“防護服”，將金屬基體與腐蝕介質(zhì)機械地隔離開來，從物理層面阻礙陽極溶解過程的持續(xù)進行。
成相膜的關(guān)鍵特征是“致密性”和“覆蓋性”：膜層結(jié)構(gòu)緊密，孔隙率極低，能有效阻擋離子的遷移與擴散；同時，膜與金屬基體結(jié)合牢固，不易脫落，確保長期防護效果。例如，不銹鋼表面的鈍化膜主要由Cr?O?組成，這層膜結(jié)構(gòu)致密、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，即便受到輕微劃傷，也能在空氣中快速自愈，繼續(xù)發(fā)揮防護作用。
2、吸附理論(“表面改性”)
與成相膜理論不同，吸附理論強調(diào)鈍化的核心是金屬表面反應(yīng)能力的降低，而非物理隔離。該理論認為，金屬鈍化時，表面會快速吸附一層氧或含氧粒子（如O2?、OH?等），形成一層極薄的吸附層。這層吸附層雖未形成獨立的固相膜，卻能改變金屬/溶液界面的電子結(jié)構(gòu)，顯著提高金屬陽極溶解的活化能，使金屬表面的反應(yīng)活性大幅下降，從而達到鈍化效果。
吸附理論很好地解釋了某些特殊情況：例如，部分金屬在極低濃度的氧化劑中就能實現(xiàn)鈍化，且鈍化膜厚度遠超化學(xué)計量比，這無法用成相膜理論的“物理隔離”來解釋，而吸附層對表面活性位點的覆蓋與抑制作用則能給出合理答案。
目前普遍認為，實際鈍化過程中，成相膜與吸附層可能同時存在，二者協(xié)同作用實現(xiàn)金屬的穩(wěn)定鈍化。
四、電化學(xué)視角解析鈍化全過程
鈍化過程的本質(zhì)是復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)，通過分析金屬的陽極極化曲線，可清晰觀察到鈍化的四個特征階段，直觀理解金屬從“活性溶解”到“穩(wěn)定鈍態(tài)”的轉(zhuǎn)變過程。
展開 (a)純液體射流
(b)液固兩相射流
圖5 13Cr表面極化曲線
圖5為純液體和液固兩相射流中的13Cr表面極化曲線，圖（a）純液體中的極化曲線顯示出隨液體流速增加，金屬表面腐蝕電位降低，同時腐蝕電流密度增加。圖（b）顯示在液固兩相流中，陽極極化曲線發(fā)生劇烈跳動，電流密度不斷在10-2和10-3量級變化。這種變化可能受顆粒撞擊影響，不銹鋼表面鈍化膜不斷被剝離然后再鈍化，無法形成穩(wěn)定的陽極鈍化區(qū)間。
3
小結(jié)
當(dāng)顆粒撞擊金屬表面時，通常會瞬間破壞表面已建立的穩(wěn)定電化學(xué)反應(yīng)平衡體系，使未發(fā)生反應(yīng)的基體金屬與反應(yīng)物接觸，形成新的反應(yīng)步驟。因此，研究顆粒撞擊過程金屬表面的電化學(xué)參數(shù)變化是分析沖蝕腐蝕協(xié)同作用的重要方向，包括液體局部流動狀態(tài)分析，近壁面物質(zhì)傳遞分析，金屬表面粗糙度影響分析，金屬硬度變化分析，縫隙腐蝕分析等內(nèi)容。
此外，作為影響電化學(xué)反應(yīng)進程的重要因素，在多數(shù)液固兩相流中物質(zhì)傳遞速率直接影響電化學(xué)反應(yīng)進程，進而改變腐蝕速率。
圖6 單顆粒撞擊金屬表面邊界層變化示意圖
如圖6所示為單顆粒撞擊金屬表面時，近壁面液體流動變化示意圖，其中顆粒侵入邊界層和離開邊界層過程都會產(chǎn)生反應(yīng)物濃度突變的情況，進而使瞬時表面電流密度增加，促進腐蝕發(fā)生。
展開 設(shè)置 窗口用于指定氧離子和氬離子之間的離子-離子復(fù)合的反應(yīng)。
當(dāng)其中一個物質(zhì)的電子激發(fā)能大于另一個物質(zhì)的電離勢時，就會發(fā)生潘寧電離 (A* + A* => e + A+ + A)。在電荷轉(zhuǎn)移 反應(yīng) (A+ + B => A + B+) 中，來自中性物質(zhì)的電子轉(zhuǎn)移到正離子或從負離子轉(zhuǎn)移到中性粒子。在離子-離子復(fù)合 (A– + B+ => A + B) 中，負離子和正離子相互作用并產(chǎn)生中性物質(zhì)。對于某些操作條件，這是描述負放電所必需的負離子損失機制。
涉及分子種類的等離子體化學(xué)更為復(fù)雜，因為電子碰撞和重物質(zhì)締合反應(yīng)的解離創(chuàng)造了非常豐富的原子和分子物質(zhì)系統(tǒng)。例如，在原料氣體為 SF6，O2 和 Ar 的放電過程中，像 F 和 SOx，SFx 和 SOx 等族新物質(zhì)也會存在。
表面反應(yīng)
在 COMSOL Multiphysics 中，使用 表面反應(yīng)功能 指定重物質(zhì)的表面反應(yīng)，如圖 3 所示。這個功能會自動為重物質(zhì)設(shè)置與物質(zhì)熱速度成比例的通量邊界條件。
圖3 模型開發(fā)器顯示了用戶自定義的氬氣和氧氣混合物的等離子體化學(xué)的表面反應(yīng)功能。 設(shè)置窗口顯示了 表面反應(yīng)功能，用于指定表面氬離子的中和以及二次電子的發(fā)射。
下面，我們從等離子體的角度介紹一些重要的表面反應(yīng)。討論了表面物質(zhì)的產(chǎn)生和損失，但我們沒有具體介紹某種物質(zhì)的表面反應(yīng)或體反應(yīng)發(fā)生了什么。(有關(guān)后者的更多信息，請嘗試使用等離子體模塊的表面化學(xué)反應(yīng)教程模型)。
傳輸損失
在等離子體反應(yīng)器中，通過平衡產(chǎn)生機制與體積和表面損失來實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)操作。通常，表面損失是主要機制。在實踐中，這意味著電子碰撞反應(yīng)會產(chǎn)生電子-離子對;電子在表面被吸收，而離子被中和到基態(tài)。如果沒有為給定物質(zhì)(包括激發(fā)態(tài))引入損失機制，那么該物質(zhì)可以無限生長。因此，無法實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致數(shù)值模擬失敗。
展開 
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表面反應(yīng)的最新內(nèi)容
2、吸附理論(“表面改性”)
與成相膜理論不同，吸附理論強調(diào)鈍化的核心是金屬表面反應(yīng)能力的降低，而非物理隔離。該理論認為，金屬鈍化時，表面會快速吸附一層氧或含氧粒子（如O2?、OH?等），形成一層極薄的吸附層。這層吸附層雖未形成獨立的固相膜，卻能改變金屬/溶液界面的電子結(jié)構(gòu)，顯著提高金屬陽極溶解的活化能，使金屬表面的反應(yīng)活性大幅下降，從而達到鈍化效果。
研究各種界面(前端、后端等)的能帶排列情況
優(yōu)勢
仿真表面效應(yīng)及應(yīng)變影響
考慮溫度對OCV和光電流的影響
催化劑
功能
探究有/無電場條件下的活性位點本質(zhì)及反應(yīng)機理(過渡態(tài)、反應(yīng)路徑、反應(yīng)勢壘)
獲取吸附原子平衡分離距離和馬利肯電荷與外加電場的函數(shù)關(guān)系
優(yōu)勢
仿真真正半無限系統(tǒng)的特性
仿真靜電場中的表面化學(xué)反應(yīng)
一、技術(shù)分類體系
鋅合金表面處理技術(shù)可按處理原理分為四大類：
1、化學(xué)處理技術(shù)：
通過化學(xué)反應(yīng)在表面形成保護膜，包括化學(xué)轉(zhuǎn)化膜處理、化學(xué)鍍、鈍化處理等。
2、電化學(xué)處理技術(shù)：
利用電解原理進行處理，包括電鍍、陽極氧化、電解拋光等。
3、物理處理技術(shù)：
通過物理手段改變表面微觀結(jié)構(gòu)，包括機械處理、熱處理、氣相沉積等。
其演變機理為：在浸金工藝過程中，由于鍍層結(jié)構(gòu)缺陷，鎳層表面遭受過度氧化反應(yīng)，大體積的金原子不規(guī)則沉積導(dǎo)致晶粒粗糙多孔。表面出現(xiàn)嚴重龜裂后，鎳層裂紋暴露于空氣中發(fā)生持續(xù)的化學(xué)電池效應(yīng)與氧化反應(yīng)，形成深度達300～400 nm的連續(xù)腐蝕層。這層疏松的氧化鎳層阻礙了焊料與純鎳的有效金屬互化物（IMC）結(jié)合，最終導(dǎo)致焊點容易剝離，出現(xiàn)拒焊和縮錫現(xiàn)象。
如何有效防止切削液對金屬的腐蝕2個月前
切削液在循環(huán)使用中易混入鐵屑、粉塵、油污等雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會破壞切削液的防銹體系，還會在金屬表面形成電化學(xué)反應(yīng)，加速腐蝕，需及時通過過濾、撇油等方式清理雜質(zhì)，保持切削液清潔。定期檢測切削液的 pH 值、濃度、防銹性等關(guān)鍵指標，若 pH 值偏移、濃度降低，需及時補充原液或添加防銹劑進行調(diào)整，維持其防銹性能穩(wěn)定。
5）鋁線中產(chǎn)生腐蝕過程
①水氣滲透入塑封殼內(nèi)→濕氣滲透到樹脂和導(dǎo)線間隙之中
②水氣滲透到芯片表面引起鋁化學(xué)反應(yīng)
加速鋁腐蝕的因素:
①樹脂材料與芯片框架接口之間連接不夠好(由于各種材料之間存在膨脹率的差異)
②封裝時,封裝材料摻有雜質(zhì)或者雜質(zhì)離子的污染(由于雜質(zhì)離子的出現(xiàn))
③非活性塑封膜中所使用的高濃度磷
④非活性塑封膜中存在的缺陷
6）爆米花效應(yīng)(
比如燃料電池，內(nèi)部有分子運動、催化劑表面反應(yīng)，還有整體的熱管理和流體流動。傳統(tǒng)方法只能處理一個尺度，但多尺度仿真可以把這些都結(jié)合起來，提供更全面的理解。
第三，通過異構(gòu)并行計算大幅提升CFD計算效率。異構(gòu)并行計算就是把不同類型的處理器整合在一起，比如CPU、GPU和FPGA。每種處理器都有自己的強項，比如GPU擅長處理大規(guī)模并行任務(wù)，而CPU負責(zé)處理復(fù)雜的邏輯運算和調(diào)度。
化學(xué)氣相沉積過程分為三個重要階段：反應(yīng)氣體向基體表面擴散、反應(yīng)氣體吸附于基體表面、在基體表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)沉積物及產(chǎn)生的氣相副產(chǎn)物脫離基體表面。最常見的化學(xué)氣相沉積反應(yīng)有:熱分解反應(yīng)、化學(xué)合成反應(yīng)和化學(xué)傳輸反應(yīng)等。
ANSYS化學(xué)反應(yīng)解決方案介紹
二、ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)類型及設(shè)置簡介
三、ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)速率UDFs定義介紹
四、ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)案例分享
4.1、金屬顆粒表面反應(yīng)應(yīng)用案例分享
4.2、碳酸鈣顆粒分解反應(yīng)應(yīng)用案例分享（基于缺省表面反應(yīng)速率定義方式）
4.3、碳酸鈣顆粒分解反應(yīng)應(yīng)用案例分享（基于UDFs方式定義表面反應(yīng)速率
混凝土中鋼筋的腐蝕是指鋼筋與混凝土中的水和氧氣反應(yīng)，導(dǎo)致鋼筋表面產(chǎn)生氧化物，進而引發(fā)鋼筋的腐蝕和破壞。混凝土中的水和氧氣是腐蝕的主要因素之一。當(dāng)水滲入混凝土中的微縫隙和孔隙時，可以與鋼筋表面的氧氣反應(yīng)，形成氧化物。這個過程是一個電化學(xué)過程，涉及到陰極和陽極反應(yīng)。鋼筋在環(huán)境中處于陰極的區(qū)域，而氧氣反應(yīng)位于陽極的區(qū)域。在這種電化學(xué)反應(yīng)中，鋼筋表面上的氧化物會導(dǎo)致鋼筋的腐蝕和銹蝕。
