다공성 매질

재료과학에서 다공성 매질(porous medium) 또는 다공성 재료(porous material)는 공극 (빈 공간)을 포함하는 재료이다. 재료의 골격 부분은 종종 "매트릭스" 또는 "프레임"이라고 불린다. 공극은 일반적으로 유체 (액체 또는 기체)로 채워져 있다. 골격 재료는 일반적으로 고체이지만, 거품과 같은 구조도 종종 다공성 매질의 개념을 사용하여 유용하게 분석된다.

다공성 매질은 대부분 공극률에 의해 특성화된다. 매질의 다른 특성 (예: 투수율, 인장 강도, 도전율, 비틀림)은 구성 요소 (고체 매트릭스 및 유체)의 각 특성과 매질의 공극률 및 공극 구조로부터 때때로 유도될 수 있지만, 이러한 유도는 일반적으로 복잡하다. 공극률의 개념조차도 다공성 탄성 매질에 대해서만 간단하다.

종종 고체 매트릭스와 공극망 (공극 공간이라고도 함) 둘 다 연속적이며, 해면동물과 같이 두 개의 서로 관통하는 연속체를 형성한다. 그러나 폐쇄형 공극률과 유효 공극률, 즉 흐름에 접근 가능한 공극 공간의 개념도 있다.

암석, 흙 (예: 대수층, 석유층), 제올라이트, 생물학적 조직 (예: 뼈, 나무, 코르크), 그리고 시멘트 및 세라믹과 같은 인공 재료와 같은 많은 천연 물질은 다공성 매질로 간주될 수 있다. 이러한 물질의 중요한 특성 중 상당수는 다공성 매질로 간주해야만 합리화될 수 있다.

다공성 매질의 개념은 여과, 역학 (물리학) (음향학, 지구역학, 토질역학, 암반역학), 공학 (석유공학, 생물적 환경정화, 건설공학), 지구과학 (수문지질학, 석유지질학, 지구물리학), 생물학 및 생물리학, 재료과학 등 응용 과학 및 공학의 많은 분야에서 사용된다. 다공성 재료의 현재 두 가지 중요한 응용 분야는 에너지 변환 및 에너지 저장이며, 여기서 다공성 재료는 슈퍼캐패시터, (광)촉매 반응, 연료 전지, 및 전지에 필수적이다.

 규모 
미시적 및 거시적 수준에서 다공성 매질을 분류할 수 있다.
미시적 규모에서 구조는 공극 크기 분포, 공극 상호 연결 및 방향 정도, 죽은 공극의 비율 등으로 통계적으로 표현된다.
거시적 기술은 공극 크기보다 훨씬 큰 규모에서 평균화된 벌크 특성을 활용한다.

목표에 따라 이 두 가지 기술은 상호 보완적이므로 자주 사용된다. 고분자 용액의 고분자 흡착 및 공극 막힘과 같은 표면 현상을 이해하려면 미시적 설명이 필요하지만, 유체 흐름, 열, 물질 이동이 가장 중요한 공정 설계에서는 거시적 접근 방식이 종종 충분하며 분자 크기가 다공성 시스템의 공극 크기보다 상당히 작다는 점은 분명하다.

 유체 흐름 

섬네일|다공성 매질을 통한 유체 흐름
다공성 매질을 통한 유체 흐름은 공통 관심사이며 별도의 연구 분야로 발전했다. 고체 프레임의 변형을 포함하는 다공성 매질의 보다 일반적인 거동에 대한 연구를 다공성 역학이라고 한다.

다공성 흐름 이론은 잉크젯 프린팅Stephen D. Hoath, "Fundamentals of Inkjet Printing - The Science of Inkjet and Droplets", Wiley VCH 2016 및 핵 폐기물 처리Martinez M.J., McTigue D.F. (1996) Modeling in Nuclear Waste Isolation: Approximate Solutions for Flow in Unsaturated Porous Media. In: Wheeler M.F. (eds) Environmental Studies. The IMA Volumes in Mathematics and its Applications, vol 79. Springer, New York, NY 기술 등에 응용된다.

다공성 매질의 유체 흐름에는 수많은 요인이 영향을 미치며, 그 기본 기능은 에너지를 소모하고 시추공을 통해 유체를 생성하는 것이다. 다공성 매질을 통한 흐름 역학에서 에너지와 유량 간의 연결이 가장 중요한 문제가 된다. 이러한 연결을 특성화하는 가장 기본적인 법칙은 다르시의 법칙이다. 특히 미세 다공성 매질에 적용할 수 있다. 반면, 포르하이머의 법칙은 거친 다공성 매질의 맥락에서 유용하게 사용된다.

 모델 
다공성 재료 내에 존재하는 빈 공간을 일련의 공극 또는 공극망을 사용하여 표현한다. 이는 운송 매개변수 예측을 위한 구조적 기반 역할을 하며 공극 구조 특성화 맥락에서 사용된다.

공극 구조에 대한 많은 이상적인 모델이 있다. 이들은 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있다.
 모세혈관 네트워크
 고체 입자 배열 (예: 구체의 무작위 밀집 충진)
 삼중 모드

다공성 재료는 종종 프랙탈과 같은 구조를 가지며, 점진적으로 해상도를 높여 볼 때 무한히 성장하는 것처럼 보이는 공극 표면적을 가진다. 수학적으로, 이는 공극 표면에 2보다 큰 하우스도르프 차원을 할당함으로써 설명된다. 공극 구조 조사를 위한 실험 방법에는 공초점 현미경M. K. Head, H. S. Wong, N. R. Buenfeld, "Characterisation of 'Hadley’ Grains by Confocal Microscopy", Cement & Concrete Research (2006), 36 (8) 1483 -1489 및 엑스선 단층 촬영이 포함된다.
다공성 재료는 자동차 분야를 포함한 많은 공학 분야에서 일부 응용을 발견했다.

 법칙 
다공성 재료에 대한 법칙 중 하나는 일반화된 머레이의 법칙이다. 일반화된 머레이의 법칙은 주어진 부피 내에서 운송 저항을 최소화하여 물질 전달을 최적화하는 것에 기반하며, 흐름 공정, 분자 또는 이온 확산과 관련된 질량 변화 및 화학 반응을 포함하는 물질 전달을 최적화하는 데 적용될 수 있다.

반지름이 r0인 부모 파이프를 반지름이 ri인 여러 자식 파이프에 연결하는 일반화된 머레이의 법칙 공식은 다음과 같다: , 여기서 X는 부모 공극 내 물질 전달 중 질량 변화 비율이고, 지수 α는 전달 유형에 따라 달라진다. 층류의 경우 α =3; 난류의 경우 α =7/3; 분자 또는 이온 확산의 경우 α =2; 등이다.

 같이 보기 
 세노셀
 나노 다공성 재료
 다공성 매질에서의 NMR
 침투 이론
 침투 임계값
 망상 거품
 여과
 다공성 역학
 반응성 수송
 투수율
 대형 공극

 각주 

 더 읽어보기 

J. Bear; (1972) Dynamics of Fluids in Porous Media. (Elsevier, New York)

 외부 링크 
 투수율 정의
 제어 가능한 모세관 흐름을 위한 다공성 매질 맞춤화
 투수율이 다른 재료를 통한 다양한 유량의 그래프 표현
 다공성 매질에서의 유체 흐름의 기본

분류:재료