本发明为一种获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，实验测定了碳气凝胶内石墨微晶结构的尺寸和密度，并根据实验结果建立了具有表面缺陷的石墨微晶，作为组成重构模型的基础单元。通过不断调整基础单元间的相对位置和倾角，获得与碳气凝胶材料原子结构的密度、孔体积、比表面积及氮气吸附等温线相吻合的跨尺度多孔结构全原子模型。本发明综合考虑了碳气凝胶固相多孔结构的跨尺度特点，通过创建微晶内缺陷及调控微晶间距的方法准确地复现了材料内的微孔和介孔结构。获得的重构模型兼具理论意义和实际意义，同时实现了与碳气凝胶的微观原子模型参数和宏观物理性质的吻合，可用于提升碳气凝胶材料物理化学性质分子模拟结果的准确性。
1.一种获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，适用于有机凝胶高温碳化后得到的碳气凝胶材料，即忽略材料内除碳原子外的其他成分，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：测定高温碳化后碳气凝胶材料内石墨微晶结构的厚度、片层间距和平面长度、石墨微晶结构的真实密度、固相结构的表观密度、固相结构的微孔体积和比表面积；
步骤2：根据所需的重构模型建立模拟区域，结合所述固相结构的表观密度，计算出模拟区域内石墨微晶结构的个数，将石墨微晶以002方向平行的方式均匀分布在模拟区域内，以每个石墨微晶为核心，将模拟区域分割成多个形状相同的长方体单元，即为重构模型的基础组成单元，设置首次迭代中各个参数的值，包括重构模型中可倾斜基础组成单元的数
量、重构模型介孔无序度ω和模型内缺陷石墨微晶的倾斜角Λ；
步骤3：不断地在重构模型内石墨微晶的表面创建随机缺陷，将重构模型内的无缺陷石墨微晶转换为缺陷石墨微晶，直至重构模型内所有石墨微晶的密度与碳气凝胶材料内石墨微晶密度的实验值相符；
步骤4：根据本次迭代中设置的重构模型介孔无序度ω ，计算出每个缺陷石墨微晶的重心与其对应基础组成单元中心间的距离，结合本次迭代中设置的可倾斜缺陷石墨微晶的数n量和模型内缺陷石墨微晶的倾斜角Λ，获得重构模型内全体碳原子的坐标，根据计算出的全体碳原子坐标，剔除原子间距离小于设定值的碳原子，以消除重构模型内出现非物理性的原子重叠；
至此，重构过程结束；生成的缺陷石墨微晶堆积结构即为本次迭代中重构的碳气凝胶材料固相跨尺度多孔结构全原子模型；
步骤5：计算重构模型的孔隙率，有效孔体积、比表面积和77K下的氮气吸附等温线；
步骤6：根据步骤5计算值与实验值之间的偏差，更新下一次迭代步的参数值，包括重构n+1 n+1模型介孔无序度ω 和模型内缺陷石墨微晶的倾斜角Λ ；
步骤7：重复步骤4、步骤5，在不断的迭代过程中，计算值与实验值间的偏差逐渐缩小，当重构模型的有效孔体积、比表面积和77K下氮气吸附等温线与实验值间的偏差小于设定值时，迭代过程终止，最后一次迭代获得的缺陷石墨微晶堆叠交错结构，即为与碳气凝胶材料固相结构相仿，且主要物理参数与实验值吻合的固相跨尺度多孔结构全原子模型。
2.根据权利要求1所述获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，其特征在于，所述步骤1中，采用X射线衍射实验和Ramen光谱分析实验，测定高温碳化后碳气凝胶材料内石墨微晶结构的厚度、片层间距和平面长度；采用苯环替代法测定碳气凝胶材料内石墨微晶的真实密度，采用微孔表征实验方法，测定碳气凝胶材料骨架结构的表观密度、及骨架的微孔体积和比表面积。
3.根据权利要求2所述获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，其特征在于，所述步骤1中，采用Bragg公式和Scherrer公式对碳气凝胶材料X射线衍射实验结果进行分析，其中，基于Bragg公式获得石墨微晶结构的片层间距d，公式为：式中，d为石墨微晶结构的片层间距，λ为X射线的波长，θ为入射X射线与石墨晶面的夹角；n为反射级数；
基于Scherrer公式获得石墨微晶结构的厚度Lc，公式为：
式中，B为X射线衍射峰的半高宽，b为仪器修正系数，K为Scherrer常数；
采用Knight和White总结的经验公式，对碳气凝胶材料Ramen光谱分析实验结果进行分析，并获得碳气凝胶材料原子结构内石墨微晶结构的平面长度La，公式为：‑1
式中I1342和I1582分别表示碳气凝胶材料Ramen光谱中D峰和G峰的积分强度，各峰的积分强度I(ω)由以下公式获得：‑1
式中I0为峰值强度，ω0为峰值位置，Γ为半高宽，Q 为Breit‑Wigner‑Fano耦合系数。
4.根据权利要求1所述获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，其特征在于，所述步骤4中，每个缺陷石墨微晶的重心与其对应基础组成单元中心间的距离计算公式如下：式中Pi为表示第i个缺陷石墨微晶偏离距离的矩阵；G是由均值为0，标准差为1的一组Gauss随机数组成的矩阵；Lx、Ly和Lz分别表示基础组成单元在三个坐标轴上的长度；ω为本次迭代中设置的重构模型介孔无序度；ρapp为碳气凝胶材料骨架结构的表观密度，ρgra为碳气凝胶材料内缺陷石墨微晶的真实密度；
重构模型内碳原子与其所在缺陷石墨微晶重心的距离计算公式如下：
式中i为重构模型内缺陷石墨微晶的序号，s和c分别为正弦函数sin和余弦函数cos的缩写，φ、θ和ψ分别为缺陷石墨微晶绕x轴、y轴和z轴的倾角，φmax、θmax和ψmax分别表示碳气凝胶材料内缺陷石墨微晶绕x轴、y轴和z轴的最大倾角，由实验结果确定，RPi是当φi、θi和ψi均为零时，由缺陷石墨微晶内每个碳原子到晶体重心的一维向量组成的矩阵；
碳气凝胶材料重构模型内，第i个缺陷石墨晶体内第j个碳原子的坐标为：
式中i表示重构模型内缺陷石墨微晶的序号，j表示缺陷石墨微晶内原子的序号，AP表示原子坐标矩阵，O表示缺陷石墨微晶所在的基本重构单元中心的坐标矩阵，P是缺陷石墨微晶重心与基本重构单元中心间的距离矩阵，RP是缺陷石墨微晶内原子与微晶重心间的距离矩阵。
5.根据权利要求1所述获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，其特征在于，所述步骤4中，设定值为0.142nm，所述步骤7中，设定值为5％。
6.根据权利要求1所述获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，其特征在于，所述步骤5中，采用数值方法进行计算，步骤如下：首先，采用Delaunay方法对重构模型进行网格划分，每个网格的最大边长应小于碳原子碰撞直径的四分之一，遍历所有网格，当一个网格的所有顶点均在重构模型中的孔隙部分时，则定义该网格为重构模型内孔体积的一部分；
其次，采用Hoshen‑Kopelman方法计算重构模型的有效孔体积；
再次，采用Furukawa方法对重构的碳气凝胶材料微孔体系比表面积进行计算；
最后，采用巨正则蒙特卡洛法(GCMC)计算重构模型在77K下的氮气分子吸附等温线。
7.根据权利要求1所述获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，其特征在于，所述步骤6中，参数更新计算方法如下：式中，α1和α2表示迭代过程中的松弛因子，γ为更新重构模型介孔无序度时，对微孔比表面积和孔体积实验值的倾向性，p1和p2表示吸附等温线内对应微孔特征压力区间的上下界，Sex、Vex和Qex表示碳气凝胶材料微孔结构比表面积、微孔体积和氮气吸附量的实验结果，n nSre、Vre和Qre表示重构模型物理参数的计算结果，ω为本次迭代中重构模型介孔无序度，Λ为本次迭代中重构模型内缺陷石墨微晶的倾斜角。
8.根据权利要求1所述获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，其特征在于，第一次迭代时重构模型内可倾斜缺陷石墨微晶的数量为1，如迭代过程中出现发散，则将可倾斜基础组成单元的数量提升1继续计算。
一种获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法
技术领域
[0001] 本发明属于气凝胶材料技术领域，特别涉及一种获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法。
背景技术
[0002] 碳气凝胶是一种典型的气凝胶材料，其制备过程包括前驱体溶胶凝胶反应，常压干燥及高温碳化等一系列工序。碳气凝胶内部的孔隙结构呈明显的多尺度特征，在溶胶凝胶过程中，大量的纳米碳颗粒相互交联形成了材料内的固相骨架结构。而在纳米碳颗粒的2
内部，经高温碳化工序后碳原子逐渐从无定形态转化为sp杂化的石墨微晶，并且在微晶周围存在大量的孔隙。气凝胶材料特殊的纳米尺度结构，使其具有多种优良的物理性质，包括高比表面积、低介电常数、耐高温、低热导率等，令材料在气体分离、高温隔热及电化学领域具有优良的应用前景。为进一步提升碳气凝胶材料的工程应用价值，亟需明确实际工程应用中，碳气凝胶材料纳米孔隙内流体的传热传质过程。目前，众多学者采用实验或数值模拟的方法，研究真实工程条件下碳气凝胶内部的热质传输过程。然而，采用实验方法难以对气凝胶纳米通道中的传质过程进行准确测定，因此较难获得材料纳米结构与物理性质间的构效关系。采用孔尺度数值模拟的方法可以弥补实验过程中难以对微观过程进行准确描述的缺点。可是，碳气凝胶材料内的部分孔隙属于微孔(d<2nm)范畴，孔径与气体分子的碰撞直径相当，因此介质连续性假设不适用于碳气凝胶微孔内的传质过程模拟中。为了模拟研究碳气凝胶内的热质传输过程，需要采用分子模拟的方法计算流体分子在碳气凝胶分子模型内的运动过程。Patil等综述了近年来针对气凝胶材料的模拟计算工作，并指出从分子角度出发，针对碳气凝胶或碳干凝胶材料的模拟计算仍处于较为基础的阶段。导致该现象的重要原因之一，即为如何准确建立碳气凝胶的全原子模型。
[0003] 目前学者们围绕重构碳气凝胶材料的原子结构开展了大量工作。Biggs等提出了重构无定形碳结构的虚拟多孔碳模型(Virtual porous carbon，VPC)，其建立了由大量尺寸各异石墨微晶组成的基础单元结构库，并通过调整基础单元结构间的距离和夹角，获得了多孔碳材料的重构模型。Gavalda等采用逆向蒙特卡洛法(RMC)实现了对碳气凝胶材料原子结构的重构。该方法，基于碳气凝胶内碳原子间径向分布函数的实验结果，反推出碳原子间径向分布函数与实验结果相符的重构模型。在现有的气凝胶材料纳米结构重构方法中仍存在以下不足：首先，基于RMC方法建立的重构模型，其准确度严重依赖于材料内碳原子径向分布函数实验结果的测量精度，然而对类似碳气凝胶的跨尺度多孔材料，碳原子径向分布函数函数的测量可能失真；其次，基于现有重构方法生成的碳气凝胶原子结构对真实材料微观拓扑结构的复现精度较低，如重构模型内石墨微晶结构尺寸，尚不能与实验测量结果良好吻合；最后，基于现有重构方法生成的碳气凝胶固相结构原子模型，其主要物理性质，包括孔体积、比表面积及气体在其内部的吸附等温线，与实验结果存在较大误差。
发明内容
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点，针对现有获取碳气凝胶原子模型的方法中的不足，本发明的目的在于提供一种获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，以获得与碳气凝胶材料微观结构相仿，且主要物理参数与实验结果吻合的重构原子模型。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0006] 一种获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，适用于有机凝胶高温碳化后得到的碳气凝胶材料，即忽略材料内除碳原子外的其他成分，包括如下步骤：
[0007] 步骤1：测定高温碳化后碳气凝胶材料内石墨微晶结构的厚度、片层间距和平面长度、石墨微晶的真实密度、固相结构的表观密度、固相结构的微孔体积和比表面积。
[0008] 在一个实施例中，采用X射线衍射实验和Ramen光谱分析实验，测定高温碳化后碳气凝胶材料内石墨微晶结构的厚度、片层间距和平面长度；采用苯环替代法测定碳气凝胶材料内石墨微晶的真实密度，采用微孔表征实验方法，测定碳气凝胶材料固相结构的表观密度、及固相结构的微孔体积和比表面积。
[0009] 具体地，采用Bragg公式和Scherrer公式对碳气凝胶材料X射线衍射实验结果进行分析，其中，基于Bragg公式可以获得石墨微晶结构的片层间距d，公式为：
[0010]
[0011] 式中，d为石墨微晶结构的片层间距，λ为X射线的波长，θ为入射X射线与石墨晶面的夹角；n为反射级数；
[0012] 基于Scherrer公式可以获得石墨微晶结构的厚度Lc，公式为：
[0013]
[0014] 式中，B为X射线衍射峰的半高宽，b为仪器修正系数，K为Scherrer常数；
[0015] 采用Knight和White总结的经验公式，对碳气凝胶材料Ramen光谱分析实验结果进行分析，并获得碳气凝胶材料固相结构内石墨微晶结构的平面长度La，公式为：
[0016] La＝44·(I1342/I1582)‑1
[0017] 式中I1342和I1582分别表示碳气凝胶材料Ramen光谱中D峰和G峰的积分强度，各峰的积分强度I(ω)由以下公式获得：
[0018]
[0019] 式中I0为峰值强度，ω0为峰值位置，Γ为半高宽，Q‑1为Breit‑Wigner‑Fano耦合系数。
[0020] 步骤2：根据所需的重构模型建立模拟区域，结合所述固相结构的表观密度，计算出模拟区域内石墨微晶结构的个数，将石墨微晶以002方向平行的方式均匀分布在模拟区域内，以每个石墨微晶为核心，将模拟区域分割成多个形状相同的长方体单元，即为重构模型的基础组成单元，设置首次迭代中各个参数的值，包括重构模型中可倾斜基础组成单元1 1
的数量、重构模型介孔无序度ω和模型内缺陷石墨微晶的倾斜角Λ。
[0021] 步骤3：不断地在重构模型内石墨微晶的表面创建随机缺陷，将重构模型内的无缺陷石墨微晶转换为缺陷石墨微晶，直至重构模型内所有石墨微晶的密度与碳气凝胶材料内石墨微晶密度的实验值相符。
[0022] 步骤4：根据本次迭代中设置的重构模型介孔无序度ωn，计算出每个缺陷石墨微晶的重心与其对应基础组成单元中心间的距离，在获得缺陷石墨微晶的平行排列结构基础上，结合本次迭代中设置的可倾斜缺陷石墨微晶的数量和模型内缺陷石墨微晶的倾斜角nΛ ，获得重构模型内全体碳原子的坐标，根据计算出的全体碳原子坐标，剔除原子间距离小于设定值(例如0.142nm)的碳原子，以消除重构模型内出现非物理性的原子重叠。
[0023] 至此，重构过程结束；生成的缺陷石墨微晶堆积结构即为本次迭代中重构的碳气凝胶材料固相跨尺度多孔结构全原子模型。
[0024] 具体地，每个缺陷石墨微晶的重心与其对应基础组成单元中心间的距离计算公式如下：
[0025]
[0026] 式中Pi为表示第i个缺陷石墨微晶偏离距离的矩阵；G是由均值为0，标准差为1的一组Gauss随机数组成的矩阵；Lx、Ly和Lz分别表示基础组成单元在三个坐标轴上的长度；ω为本次迭代中设置的重构模型介孔无序度；ρapp为碳气凝胶材料骨架结构的表观密度，ρgra为碳气凝胶材料内缺陷石墨微晶的真实密度；
[0027] 重构模型内碳原子与其所在缺陷石墨微晶重心的距离计算公式如下：
[0028]
[0029]
[0030] 式中i为重构模型内缺陷石墨微晶的序号，s和c分别为正弦函数sin和余弦函数cos的缩写，φ、θ和ψ分别为缺陷石墨微晶绕x轴、y轴和z轴的倾角，φmax、θmax和ψmax分别表示碳气凝胶材料内缺陷石墨微晶绕x轴、y轴和z轴的最大倾角，由实验结果确定，RPi是当φi、θi和ψi均为零时，由缺陷石墨微晶内每个碳原子到晶体重心的一维向量组成的矩阵；
[0031] 碳气凝胶材料重构模型内，第i个缺陷石墨晶体内第j个碳原子的坐标为：
[0032] APij＝Oi+Pi+RPij
[0033] 式中i表示重构模型内缺陷石墨微晶的序号，j表示缺陷石墨微晶内原子的序号，AP表示原子坐标矩阵，O表示缺陷石墨微晶所在的基本重构单元中心的坐标矩阵，P是缺陷石墨微晶重心与基本重构单元中心间的距离矩阵，RP是缺陷石墨微晶内原子与微晶重心间的距离矩阵。
[0034] 步骤5：计算重构模型的孔隙率，有效孔体积、比表面积和77K下的氮气吸附等温线。
[0035] 具体地，可采用数值方法进行计算，步骤如下：
[0036] 首先，采用Delaunay方法对重构模型进行网格划分，每个网格的最大边长应小于碳原子碰撞直径的四分之一，遍历所有网格，当一个网格的所有顶点均在重构模型中的孔隙部分时，则定义该网格为重构模型内孔体积的一部分；
[0037] 其次，采用Hoshen‑Kopelman方法计算重构模型的有效孔体积；
[0038] 再次，采用Furukawa方法对重构的碳气凝胶材料微孔体系比表面积进行计算；
[0039] 最后，采用巨正则蒙特卡洛法(GCMC)计算重构模型在77K下的氮气分子吸附等温线。
[0040] 步骤6：根据步骤5计算值与实验值之间的偏差，更新下一次迭代步的参数值，包括n+1 n+1重构模型介孔无序度ω 和模型内缺陷石墨微晶的倾斜角Λ 。
[0041] 本步骤建立了重构模型的微孔体积、比表面积和氮气吸附等温线与重构过程参数之间的关系，重构过程参数包括介孔无序度和缺陷石墨微晶的倾斜度。通过不断迭代重构过程参数的方法，获得与真实材料原子排布结构相仿，且主要物理参数与实验结果吻合的碳气凝胶材料固相跨尺度多孔结构全原子模型。
[0042] 具体地，参数更新计算方法如下：
[0043]
[0044]
[0045] 式中，α1和α2表示迭代过程中的松弛因子，γ为更新重构模型介孔无序度时，对微孔比表面积和孔体积实验值的倾向性，p1和p2表示吸附等温线内对应微孔特征压力区间的上下界，Sex、Vex和Qex表示碳气凝胶材料微孔结构比表面积、微孔体积和氮气吸附量的实验n结果，Sre、Vre和Qre表示重构模型物理参数的计算结果，ω为本次迭代中重构模型介孔无序n
度，Λ为本次迭代中重构模型内缺陷石墨微晶的倾斜角。第一次迭代时模型内可倾斜缺陷石墨微晶的个数为1，如迭代过程中出现发散，则将可缺陷石墨微晶的数量提升1继续计算。
[0046] 步骤7：重复步骤4、步骤5，在不断的迭代过程中，计算值与实验值间的偏差逐渐缩小，当重构模型的有效孔体积、比表面积和77K下氮气吸附等温线与实验值间的偏差小于设定值(例如5％)时，迭代过程终止，最后一次迭代获得的缺陷石墨微晶堆叠交错结构，即为与碳气凝胶材料固相结构相仿，且主要物理参数与实验值吻合的固相跨尺度多孔结构全原子模型。
[0047] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0048] 1、通过X射线衍射实验和Ramen光谱实验结果，修正了重构模型内石墨微晶结构的尺寸。在此基础上，引入了石墨表面缺陷生成法，更准确地描述了碳气凝胶内部的超微孔结构，重构模型中缺陷石墨微晶的物理参数与实验结果吻合良好。
[0049] 2、通过数值方法计算了碳气凝胶原子重构模型的主要物理性质，包括密度、有效孔体积、微孔比表面积和氮气在重构模型内的吸附等温线。建立了原子重构模型的主要物理性质与重构过程设置参数的关系，其中重构过程设置参数包括介孔无序度和缺陷石墨微晶的倾斜度。
[0050] 3、通过对重构过程设置参数的迭代寻优，不断缩小重构模型主要参数与实验结果间的偏差，最终获得与碳气凝胶固相原子结构形貌相符，且主要物理性质吻合良好的跨尺度多孔结构原子模型。
[0051] 综上，本发明可以提供一种可以获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法，利用该方法获得的原子模型可以较为精准地复现材料内的微孔结构。将本发明应用到碳气凝胶微孔结构内热质传输过程的分子模拟中，可以有效地提高分子模拟结果的准确性。
附图说明
[0052] 图1为本发明获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法流程图。
[0053] 图2为碳气凝胶材料内部石墨微晶堆积结构的高精度场透射电子显微镜(HRTEM)图片。
[0054] 图3为碳气凝胶材料内部石墨微晶堆积结构示意图。
[0055] 图4为最终获得的碳气凝胶材料固相跨尺度多孔结构全原子模型示意图。
[0056] 图5为最终获得的碳气凝胶材料固相跨尺度多孔结构全原子模型内微孔的分布示意图。
[0057] 图6为重构模型内77K下氮气吸附等温线计算结果与实验结果的对比及与Gavalda等的碳气凝胶重构模型对比。
具体实施方式
[0058] 下面结合附图，以经溶胶凝胶反应、常压干燥及高温碳化三个工序制备的碳气凝胶材料为例，对本发明进行详细说明：
[0059] 如图1所示，本发明碳气凝胶材料固相跨尺度多孔结构全原子模型的获取方法如下：
[0060] 第一步，采用HRTEM技术观测了碳气凝胶材料固相跨尺度多孔结构，结果如图2所示。从图2中可以发现，碳气凝胶经过高温碳化处理后，碳原子结构形成了局部有序的石墨微晶结构。结合上述结果，可以描绘出碳气凝胶材料固相结构示意图，如图3所示，材料内部孔隙结构具有明显的跨尺度特点，石墨微晶内部的缺陷构成了孔径小于0.7nm的超微孔结构，而石墨微晶间的缝隙形成了孔径较大的微孔结构。基于Bragg公式和Scherrer公式对碳气凝胶材料的X射线衍射实验结果进行分析，得到该材料内石墨微晶的平均片层间距为0.38nm及石墨微晶的平均厚度为1.02nm。基于Knight和White提出的经验公式对碳气凝胶材料Ramen光谱实验结果进行分析，得到材料内石墨微晶的平均平面长度为4.13nm。采用苯‑3
环替代法，测量碳气凝胶材料内晶体结构的真实密度为1.91g·cm 。采用氮气吸附比表面积分析方法，获得了77K下碳气凝胶材料内氮气的吸附等温线，并结合t‑plot方法和BET方法，计算碳气凝胶材料的表观密度、微孔体积和微孔比表面积。
[0061] 第二步，基于氮气吸附比表面积分析实验，获得了碳气凝胶材料原子结构的表观‑3密度为1.3g·cm 。建立包含单一石墨微晶结构的基础结构单元，并将石墨微晶结构的重心与基础结构单元的重心重合。建立具有2×2×4个基础结构单元的重构区域，众单元的x轴，y轴和z轴均彼此平行。
[0062] 第三步，不断地在模型内石墨微晶结构的表面创建随机缺陷，将模拟区域内的无缺陷石墨微晶转换为缺陷石墨微晶，直至结构的密度与碳气凝胶内石墨微晶密度的实验值相符。
[0063] 第四步，根据本次迭代中设置的重构模型介孔无序度ω，计算每个缺陷晶体的重心偏离其对应基础组成单元中心位置的距离，计算方法为：
[0064]
[0065] 式中Pi为第i个缺陷晶体偏离原位的距离矩阵；G是由服从以均值为0，标准差为1正态分布的Gauss随机数组成的矩阵；Lx、Ly和Lz分别表示基础组成单元在三个坐标轴上的长度；ρapp为步骤1获得的碳气凝胶骨架结构的表观密度，而ρgra为碳气凝胶内缺陷石墨微晶的真实密度。
[0066] 在获得缺陷石墨微晶的平行排列结构基础上，根据本次迭代中设置的倾斜晶体数量和倾斜度Λ，根据下式获得倾斜后重构模型内碳原子与结构重心的相对位置：
[0067]
[0068]
[0069] 式中i为重构模型内缺陷石墨微晶的序号，s和c分别为正弦函数sin和余弦函数cos的缩写，φ、θ和ψ分别为缺陷石墨微晶绕x轴、y轴和z轴的倾角。φmax、θmax和ψmax分别表示碳气凝胶材料内缺陷石墨微晶绕x轴、y轴和z轴的最大倾角，可由实验结果确定。RPi是当φi、θi和ψi均为零时，由缺陷石墨微晶内每个碳原子到晶体重心的一维向量组成的矩阵。
[0070] 因此，碳气凝胶重构模型内，第i个基本组成单元内第j个碳原子的坐标可以写为：
[0071] APij＝Pi+RPij
[0072] 式中i表示重构模型内缺陷石墨微晶的序号，j表示缺陷石墨微晶内原子的序号。AP表示原子坐标矩阵，O表示缺陷石墨微晶所在的基本重构单元中心的坐标矩阵，P是缺陷石墨微晶重心与基本重构单元中心间的距离矩阵，RP是缺陷石墨微晶内原子与微晶重心间的距离矩阵。
[0073] 在获得重构模型内全体碳原子的坐标后，删除模型内原子间距离小于0.142nm的碳原子，以消除重构模型内非物理性的原子重叠。至此，重构过程结束，生成的缺陷石墨微晶堆积结构即为本次迭代中重构的碳气凝胶材料固相跨尺度多孔结构全原子模型。
[0074] 第五步，采用数值方法计算重构模型的孔隙率，有效孔体积、比表面积和77K下的氮气吸附等温线。首先，采用Delaunay方法对重构模型进行网格划分，每个网格的最大边长小于碳原子碰撞直径的四分之一。遍历所有网格，当一个网格的所有顶点均在重构模型中的孔隙部分时，则定义该网格为结构内孔体积的一部分。其次，采用Hoshen‑Kopelman方法计算重构模型的有效孔体积。再次，采用Furukawa方法对重构的碳气凝胶微孔体系比表面积进行计算。最后，采用巨正则蒙特卡洛法(GCMC)计算重构模型在77K下的氮气分子吸附等温线。
[0075] 第六步：根据重构模型物理性质与实验数据之间的偏差，更新下一次迭代步的参n+1 n+1数值，其中包括重构模型介孔无序度ω 和模型内缺陷石墨微晶的倾斜角Λ 。参数更新计算方法如下：
[0076]
[0077]
[0078] 式中，α1和α2表示迭代过程中的松弛因子，γ为更新重构模型介孔无序度时，对微孔比表面积和孔体积实验值的倾向性。p1和p2表示吸附等温线内对应微孔特征压力区间的上下界。Sex、Vex和Qex表示碳气凝胶微孔结构比表面积、微孔体积和氮气吸附量的实验结果，Sre、Vre和Qre表示重构模型物理参数的计算结果。第一次迭代时模型内可倾斜缺陷石墨微晶的个数为1，如迭代过程中出现发散，则将可缺陷石墨微晶的数量提升1继续计算。
[0079] 第七步：重复第四至第六步的工作，在不断的迭代过程中，重构模型物理参数与气凝胶材料实验数据间的偏差逐渐缩小。当重构模型的孔体积、比表面积和77K下氮气吸附等温线与实验数据间的偏差小于5％时，迭代过程终止，最后一次迭代获得的缺陷石墨微晶堆叠交错结构，即为与碳气凝胶固相原子结构相仿，且主要物理参数与实验结果吻合的跨尺度多孔结构全原子模型。
[0080] 最终获得的碳气凝胶材料固相跨尺度多孔结构全原子模型如图4所示，为更清楚地展示重构模型内微孔的分布情况，原子结构内微孔的分布示意图如图5所示。为了验证重构模型的准确性，计算了重构模型的骨架密度、微孔体积和比表面积，将计算结果和材料实验结果对比如表1所示。
[0081] 表1碳气凝胶原子结构参数实验结果与重构模型计算结果对比
[0082]
[0083] 根据表1可知，重构模型孔隙结构参数与实验结果间的相对偏差小于4％。在此基础上，对比了重构模型内氮气分子的吸附等温线计算结果与实验结果，如图6所示。从图6中可以看出，与Gavalda等提出的RMC重构方法相比，本方法很大程度上提升了对碳气凝胶原子结构的重构精度。基于对真实材料微观跨尺度孔隙结构的准确复现，本方法重构的碳原子模型，可以精确预测气体在材料微孔结构内的吸附等温线。上述对比结果说明本发明很大程度上改进了现有的碳气凝胶材料原子结构重构方法，最终获得了与碳气凝胶原子结构相仿，且主要物理参数与实验结果吻合的跨尺度多孔结构全原子模型。
[0084] 本发明提出了一种获取碳气凝胶材料固相多孔结构原子模型的方法。利用该方法获得的原子模型可以较为精准地复现材料内的微孔结构。将本发明应用到碳气凝胶微孔结构内热质传输过程的分子模拟中，可以有效地提高分子模拟结果的准确性。
