多孔介质及表面附着物的三维重构方法

本发明涉及三维材料构建，具体而言，尤其涉及一种多孔介质及表面附着物的三维重构方法。

背景技术：

1、在材料科学、能源技术以及生物工程等多个前沿科学领域，多孔介质的结构特征与其物理、化学性能之间的关系一直是研究的热点。固体氧化物燃料电池(sofc)的电极是一种典型的多孔介质结构，对于sofc在使用碳氢燃料的过程中会形成碳沉积这一现象，同构精确重构电极的结构并研究碳沉积的机制，对电池的电化学性能、稳定性和寿命的提升有重要的指导意义。因此，能够精确快速地重构和分析多孔介质及表面附着物的三维结构，对于理解其性能机制、指导材料设计与优化具有重要意义。

2、在现有技术中，传统的三维结构重构方法主要依赖于电子显微镜(如扫描电子显微镜、透射电子显微镜)等高端仪器设备，通过对材料样品进行切片、扫描和图像重建来获取三维结构信息。虽然这些方法可以获得较高分辨率的三维结构图像，但它们通常需要昂贵的仪器设备、复杂的样品制备过程以及长时间的数据处理，难以满足快速、高效的研发需求。此外，对于表面附着物等微观结构的识别和重构，现有技术往往难以准确表征，导致对材料性能分析和优化的指导作用有限。

3、在计算机视觉和图像处理技术的发展下，尽管现有的三维结构重构技术为多孔介质的研究提供了有力的工具，但仍存在一些显著的缺陷和不足之处。首先，高分辨率的三维重构依赖于昂贵的设备和复杂的操作流程，限制了其在快速研发和性能评估中的应用。其次，现有的数字图像处理方法在处理多孔介质表面附着物的识别和重构方面，往往缺乏足够的精确度和适应性，难以满足特定材料研究的需求。此外，现有方法在数据处理效率、重构速度以及用户操作的简便性方面，仍有较大的提升空间。

4、因此，本发明提供一种多孔介质及表面附着物的三维重构方法。

技术实现思路

1、根据上述提出的不足，而提供一种多孔介质及表面附着物的三维重构方法。本发明主要利用计算模拟的方式生成多孔介质及其表面附着物的三维结构，能够降低甚至避免对昂贵设备的依赖，减少实验成本，并且还能保证模拟出的结构的精度。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、本发明提供了一种多孔介质及表面附着物的三维重构方法，包括：

4、采用改进的随机四参数法生成多孔介质；

5、对所述多孔介质进行附着物处理，包括：设定表面覆盖率；将所述多孔介质置于三维网格，所述多孔介质的表面划分为多个单元格；分别对所述单元格进行表面识别，标记出表面单元格；随机选择部分所述表面单元格进行碳沉积处理；根据所述表面覆盖率计算需要覆盖的单元格总数；随机选择所述表面单元格进行附着物沉积，被沉积的所述表面单元格的数量与所述需要覆盖的单元格数量相同。

6、优选地，所述采用改进的随机四参数法生成多孔介质，包括：

7、设定参数，所述参数包括计算域尺寸、目标孔隙率、生长核阈值和生长概率；

8、在三维空间中以所述计算域尺寸为边界，根据所述生长核阈值随机初始化生长核；所述生长核根据随机数和所述生长概率进行迭代生长；若当前孔隙率达到所述目标孔隙率，结束生长并生成初始模型；

9、对所述初始模型进行孔隙调整和后处理，生成所述多孔介质，所述多孔介质的孔隙率与所述目标孔隙率相同。

10、优选地，所述在三维空间中以所述计算域尺寸为边界，根据所述生长核阈值随机初始化生长核，包括：

11、在所述三维空间中以所述计算域尺寸为边界，随机生成一个随机数矩阵，将所述随机数矩阵中的元素作为格点，所述元素若小于所述生长核阈值，所述元素对应的所述格点初始化为所述生长核。

12、优选地，所述生长核根据随机数和所述生长概率进行迭代生长，包括：

13、在任一轮迭代中，所述生长核在26个方向中随机选择一个方向作为生长方向，若所述生长核对应的元素的所述随机数小于所述生长概率，所述生长核沿所述生长方向生长。

14、优选地，所述对所述初始模型进行孔隙调整和后处理，包括：

15、所述初始模型包括初始固体和初始孔隙；

16、对所述初始模型进行孔隙调整，包括：删除所述初始模型中孤立的所述初始孔隙、调整所述初始模型中所述初始孔隙之间的距离和连接路径；

17、对孔隙调整后的所述初始模型进行后处理，包括：使用中值滤波的方法平滑界面，再将所述初始固体和所述初始孔隙的标记互换。

18、优选地，在所述采用改进的随机四参数法生成多孔介质之后，还包括：

19、所述多孔介质包括固体和孔隙；

20、计算所述多孔介质中所述固体的比例，根据所述比例验证所述多孔介质的孔隙率是否与目标孔隙率相同。

21、优选地，所述分别对所述单元格进行表面识别，标记出表面单元格，包括：

22、所述多孔介质包括固体和孔隙；

23、若第i个单元格相邻的所述单元格存在所述固体和所述孔隙的交界面，则所述第i个单元格标记为所述表面单元格，i为正整数且i小于等于所述单元格的总数。

24、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

25、1、本发明提供的多孔介质及表面附着物的三维重构方法，通过采用改进的随机四参数法生成多孔介质，对多孔介质进行附着物处理实现了高精度结构重构，附着效果更精确，相比传统的基于物理实验的方法，在保证精确度的同时也大幅提高了数据处理的速度和效率。

26、2、本发明提供的多孔介质及表面附着物的三维重构方法，通过计算模拟的方式生成多孔介质及其表面附着物的三维结构，显著降低了对高端昂贵设备的依赖，同时也减少了实验的成本，使得本发明能够适用于资源有限的研究环境，扩大了其应用范围。

27、3、本发明提供的多孔介质及表面附着物的三维重构方法，通过简化的算法和自动化的处理流程，操作简便，能够轻松进行复杂的三维结构重构和分析工作。

28、4、本发明提供的多孔介质及表面附着物的三维重构方法，可广泛应用于需要精确控制多孔结构和表面性质的其他材料研究。

技术特征：

1.一种多孔介质及表面附着物的三维重构方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的多孔介质及表面附着物的三维重构方法，其特征在于，所述采用改进的随机四参数法生成多孔介质，包括：

3.根据权利要求2所述的多孔介质及表面附着物的三维重构方法，其特征在于，所述在三维空间中以所述计算域尺寸为边界，根据所述生长核阈值随机初始化生长核，包括：

4.根据权利要求2所述的多孔介质及表面附着物的三维重构方法，其特征在于，所述生长核根据随机数和所述生长概率进行迭代生长，包括：

5.根据权利要求2所述的多孔介质及表面附着物的三维重构方法，其特征在于，所述对所述初始模型进行孔隙调整和后处理，包括：

6.根据权利要求1所述的多孔介质及表面附着物的三维重构方法，其特征在于，在所述采用改进的随机四参数法生成多孔介质之后，还包括：

7.根据权利要求1所述的多孔介质及表面附着物的三维重构方法，其特征在于，所述分别对所述单元格进行表面识别，标记出表面单元格，包括：

技术总结本发明提供一种多孔介质及表面附着物的三维重构方法，包括：采用改进的随机四参数法生成多孔介质；对多孔介质进行附着物处理。通过采用改进的随机四参数法生成多孔介质，对多孔介质进行附着物处理实现了高精度结构重构，附着效果更精确，相比传统的基于物理实验的方法，在保证精确度的同时也大幅提高了数据处理的速度和效率，还降低了对高端昂贵设备的依赖，同时也减少了实验的成本。技术研发人员：杨国刚,杨晓幸,王皓,盛中华,孙涵受保护的技术使用者：大连海事大学技术研发日：技术公布日：2024/8/1