Berechnung geometrischer Materialeigenschaften

In der Filtration, Energiespeicherung, Katalyse oder der Entwicklung neuartiger Werkstoffe entscheidet die Mikrostruktur über Erfolg oder Scheitern. Doch wie präzise ist Ihr Verständnis der Feststoffstruktur poröser Materialien?

MatDict ist ein spezialisiertes Analysemodul zur Erfassung und Quantifizierung zentraler geometrischer Eigenschaften der Feststoffphase – darunter Materialdicke, Heterogenität, Partikelgrößenverteilung, Oberfläche und Vernetzung.

Die Datenbasis: hochauflösende 3D-Modelle aus CT, µCT, FIB/SEM oder mit GeoDict generierte Geometrien.
Das Ergebnis: Eine belastbare Bewertung struktureller Parameter, die maßgeblich mechanische Festigkeit, Lebensdauer und funktionale Effizienz bestimmen.

• Batterieelektroden: Struktur-Insights zur Steigerung der Energiedichte und Lebensdauer.
• Brennstoffzellen: Analyse der Gasdiffusionsschicht für höhere Systemeffizienz.
• Reservoiranalyse: Verlässliche Bewertung komplexer Sandsteinstrukturen.
• Filtermedien: Optimierung von Geweben und Vliesen für leistungsfähige Filtersysteme.

Ob bei der Entwicklung neuer Materialien oder der Optimierung bestehender Lösungen – MatDict liefert die strukturellen Einblicke, die Sie benötigen, um fundierte Entscheidungen schneller und gezielter zu treffen.

MatDict bietet verschiedene Optionen zur Berechnung aller relevanten geometrischen Eigenschaften der Feststoffphase.

Die Option Structure Information ermöglicht die Ermittlung grundlegender Materialkennwerte wie Porosität, Dichte, Flächengewicht und Materialanteile. Diese Berechnungen können in allen drei Raumrichtungen durchgeführt werden und liefern somit umfassende Einblicke in die strukturellen Eigenschaften des Materials.

Eine präzise Schichtdickenbestimmung, mit der Option Thickness Estimation, ist entscheidend für die Charakterisierung von Materialmikrostrukturen und das Verständnis ihres Einflusses auf die Leistungsfähigkeit. Durch die Kombination moderner Bildgebung mit computergestützter Analyse lässt sich die Dicke über eine Probe hinweg exakt erfassen und räumlich auflösen [1]. Diese detaillierte Messung liefert nicht nur wertvolle Informationen für die Qualitätssicherung, sondern unterstützt auch die Materialentwicklung, indem sie Zusammenhänge zwischen Schichtdicke und Eigenschaften wie mechanischer Festigkeit oder thermischem Verhalten sichtbar macht.

Die Option 2D Density Map ermöglicht die Analyse der räumlichen Heterogenität von Materialien, indem sie die Verteilung von Flächengewicht, Feststoffvolumenanteil (SVF) und Objektanzahl über Ebenen in einer definierten Raumrichtung berechnet. Jedes Pixel in diesen Ebenen repräsentiert den gemittelten Eigenschaftswert entlang der gewählten Richtung und liefert dadurch detaillierte Einblicke in lokale Variationen – etwa Unregelmäßigkeiten oder „Wolkigkeit“ innerhalb des Materials.

Das Tool 3D Inhomogeneity untersucht die Materialheterogenität, indem es die Struktur in definierte Teilvolumen unterteilt und Histogramme des Feststoffvolumenanteils oder der Materialanteile berechnet. So entsteht eine anschauliche Darstellung räumlicher Variationen innerhalb des Materials – ideal zur Identifikation von Inhomogenitäten und lokalen Unregelmäßigkeiten.

Mit der Option Solid Size Distribution lässt sich die Größenverteilung der festen Materialbestandteile charakterisieren, indem Kugeln in die Feststoffphase eingepasst werden. Diese rein geometrische Methode unterscheidet jedoch nicht zwischen einzelnen Objekten oder Körnern im Material – für die gezielte Identifikation einzelner Körner steht das Modul GrainFind zur Verfügung.

Die Funktion Connected Components identifiziert getrennte Bereiche innerhalb einer Mikrostruktur und macht deren Vernetzung oder Isolation sichtbar. Diese Informationen sind entscheidend für das Verständnis von Perkolation, Transportverhalten und struktureller Integrität – und damit zentral für die gezielte Optimierung der Materialeigenschaften.

Die Option Percolation Path berechnet den maximalen Durchmesser einer Kugel, die das Medium durch die Feststoffphase durchqueren kann. Dabei wird auch der jeweils kürzeste zugehörige Pfad ermittelt. Zusätzlich lassen sich spezielle Szenarien analysieren – zum Beispiel die fünf größten durchgängigen Pfade (inklusive kürzester Wege) oder die acht kürzesten Pfade für einen vorgegebenen Kugeldurchmesser. Die Bewegung der Kugeln entlang dieser Pfade wird visuell dargestellt und animiert.

Das Feature Estimate Surface Area ist essenziell für die Charakterisierung von Materialmikrostrukturen, da sie die gesamte Grenzfläche quantifiziert, an der zentrale physikalische und chemische Prozesse ablaufen. Dieser Kennwert liefert entscheidende Informationen über Reaktionsorte, Diffusionspfade und Phasengrenzinteraktionen – und ermöglicht es Forschenden, das Materialverhalten in Anwendungen wie Katalyse, Adsorption oder Energiespeicherung gezielt vorherzusagen und zu optimieren. [2]

Mit der Option Estimate Three-Phase Contact Line lassen sich Bereiche identifizieren, in denen drei unterschiedliche Phasen aufeinandertreffen. Diese Analyse liefert wertvolle Einblicke in Benetzungsverhalten, Kapillarkräfte und Grenzflächenreaktivität – zentrale Faktoren für die Optimierung von Prozessen wie Emulgierung, Katalyse und Energieumwandlung.

Die Option Minkowski Parameters bieten eine leistungsstarke Methode zur quantitativen Beschreibung der Geometrie und Topologie komplexer Mikrostrukturen. Durch die Berechnung von Größen wie Volumen, Oberfläche, Krümmung und Vernetzungsgrad lassen sich strukturelle Merkmale objektiv erfassen, die visuell nur schwer zu charakterisieren sind. Diese quantitativen Einblicke sind entscheidend, um Mikrostruktureigenschaften mit makroskopischen Materialeigenschaften in Beziehung zu setzen. [2]

Die Option GAD Object Orientation ermöglicht die Berechnung des Orientierungstensors für einen definierten Objekttyp. Damit lässt sich die Ausrichtung sämtlicher in GeoDict erzeugter Geometrien – etwa mit GrainGeo oder FiberGeo – systematisch überprüfen und analysieren.

Die Chord Length Distribution (CLD) ermöglicht eine präzise Analyse und den Vergleich komplexer Materialgeometrien. Im Gegensatz zu klassischen Größenverteilungsansätzen eignet sich die CLD besonders für 2D-Schnitte, bei denen direkte Größenmessungen nur eingeschränkt möglich sind. Durch die Auswertung von Sehnenlängen – also linearen Segmenten, die die Feststoffphasen durchqueren – liefert die Methode wertvolle Informationen über Vernetzung, Anisotropie und Heterogenität des Materials.

Die Geodesic Tortuosity quantifiziert die Komplexität von Transportwegen in komplexen Materialgeometrien, indem sie das Verhältnis zwischen dem kürzesten tatsächlichen Pfad durch das Medium und der direkten Verbindung misst. Diese Kennzahl liefert wichtige Einblicke in Leitfähigkeit, Diffusion und Vernetzung und unterstützt die Bewertung der effektiven Transport- und Leitungseigenschaften. Eine höhere Tortuosität weist auf stärker verschlungene Pfade hin – ein möglicher Hinweis auf eingeschränkten Transport im Material.

Die Option 2-Point Correlation bietet eine kompakte, statistische Beschreibung der Mikrostruktur eines Materials, indem sie die Wahrscheinlichkeit quantifiziert, dass zwei Punkte im Abstand einer bestimmten Distanz zur selben Phase gehören. Diese Methode erfasst zentrale räumliche Strukturen und Anordnungsmuster innerhalb des Materials und liefert damit wertvolle Grundlagen für die Eigenschaftsvorhersage und die gezielte Materialoptimierung.

Die Funktion Analyze Objects berechnet vielfältige Eigenschaften, Verteilungen und statistische Kennzahlen von Materialmodellen auf Basis objektbezogener Informationen – etwa aus GeoDict-Analysedaten, selbst erzeugten Strukturen oder CT-Scans, die mit Modulen wie GrainFind oder FiberFind ausgewertet wurden. Die Analyse ermöglicht Ergebnisse wie Kontaktflächen-Histogramme oder Koordinationszahlen und liefert damit tiefe Einblicke in Wechselwirkungen, Vernetzung und die Mikrostruktur des Materials.

Die Berechnung der Euclidean Distance Transform (EDT) ist ein zentrales Werkzeug zur präzisen Charakterisierung komplexer Materialmikrostrukturen. Dabei wird für jeden Punkt im Porenraum der kürzeste Abstand zur nächstgelegenen Feststoffgrenze ermittelt – und so eine räumlich aufgelöstes Feld lokaler Porengrößen erstellt.

Die Option Skeletonizer berechnet das Materialskelett einer Struktur und liefert eine vereinfachte Darstellung ihrer komplexen Geometrie. Dabei bleiben zentrale Merkmale wie Vernetzung und Topologie erhalten – ideal, um die wesentlichen Struktureigenschaften kompakt und anschaulich zu analysieren.

Eine zusätzliche leistungsstarke GeoApp zur Analyse komplexer Materialien ist ebenfalls enthalten: Mit der App Compute Fractal Dimension lässt sich die fraktale Dimension einer gegebenen Struktur mithilfe des Box-Counting-Algorithmus bestimmen – ein wertvolles Werkzeug zur Beschreibung von Strukturen mit selbstähnlichen oder hochgradig komplexen Geometrien.