Development of an algorithm and software for modeling the structure and mechanical behavior of aerogels

Abstract

Aerogels, known for their ultra-low density and exceptional physical properties such as high porosity, low thermal conductivity, and large specific surface area, represent a promising class of materials for a wide range of technological applications. These include insulation systems, catalyst supports, acoustic dampening, and even aerospace engineering. Despite their advantages, the complex and highly porous internal structure of aerogels poses significant challenges when it comes to accurately predicting their mechanical behavior under different loading conditions. Therefore, the development of computational models that realistically capture the microstructure of aerogels is a critical step in optimizing their performance and extending their practical use. This paper presents a comprehensive approach to modeling the structure and mechanical response of silica-based aerogels. At the heart of the modeling process lies the Diffusion-Limited Cluster-Cluster Aggregation (DLCA) algorithm, which is employed to generate computational representations of aerogel structures that closely mimic their real-world microarchitecture. The algorithm simulates the formation of aerogels by modeling the random motion and aggregation of primary particles into larger clusters, eventually forming a fractal-like porous network characteristic of aerogels. A dedicated software tool was developed to implement the DLCA algorithm and generate digital models of aerogel structures. Аерогелі — це матеріали з надзвичайно низькою густиною та унікальними фізичними властивостями, такими як висока пористість, низька теплопровідність і велика питома площа поверхні. Вони є перспективними для широкого спектра технологічних застосувань, зокрема в теплоізоляції, носіях каталізаторів, поглиначах звуку та навіть в аерокосмічній галузі. Однак складна та високопориста внутрішня структура аерогелів створює серйозні труднощі при моделюванні їх механічної поведінки за різних навантажень. Тому розробка обчислювальних моделей, що достовірно відображають мікроструктуру аерогелів, є ключовим етапом для оптимізації їх властивостей і розширення можливостей практичного застосування. У цій роботі представлено комплексний підхід до моделювання структури та механічної поведінки аерогелів на основі діоксиду кремнію. Основою моделювання є алгоритм кластер-кластерної агрегації з дифузійним обмеженням (DLCA), за допомогою якого створюються обчислювальні представлення аерогелевих структур, що імітують їх реальну мікроархітектуру. Алгоритм моделює утворення аерогелів через випадковий рух і агрегацію первинних частинок у більші кластери, що формують фрактальноподібну пористу мережу — характерну ознаку аерогелів. Для реалізації алгоритму DLCA було розроблено спеціальне програмне забезпечення, яке генерує цифрові моделі структур аерогелів.