基於納米多孔材料的新型能量吸收系統的研究

《基於納米多孔材料的新型能量吸收系統的研究》是依託北京大學，由曹國鑫擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於納米多孔材料的新型能量吸收系統的研究
• 外文名：Study on novel Energy Absorption System based on nano-porous materials
• 依託單位：北京大學
• 項目負責人：曹國鑫
• 項目類別：面上項目

項目摘要

本項目擬研究基於納米多孔顆粒，非浸潤液體以及一個密閉的環境的納米多孔吸能系統（NEAS）對高速衝擊載荷的力學回響和系統的抗衝擊吸能機制，以及理解吸能過程中所涉及的重要物理問題：包括液體對納米孔的浸潤，以及衝擊載荷驅動引起的液體滲透和在孔中的傳輸，並在此基礎上實現研究設計新型高效的吸能材料以及發展新型吸能機制的最終目的。本研究將以高速衝擊實驗和多尺度計算模擬方法相結合為主要手段，其中多尺度模擬方法綜合了密度泛函理論、分子動力學和有限元方法的優勢，可以有效的克服目前所用的常規分子動力學的一些缺陷，從而能夠更準確表征上述的物理機制和現象；在高速衝擊實驗中採用了常規的分離式霍普金森桿和先進的衝擊波載入實驗相結合的方式，這樣可以更為全面的研究系統對不同模式的衝擊載荷回響以及對目標的吸能保護效果。NEAS不僅可以提供較高的吸能密度，較快的回響時間，還可以多次使用，因而可能成為一種廣泛使用先進吸能系統。

結題摘要

基於納米多孔材料和非浸潤液體環境的複合吸能耗散系統（NEAS）是一種新型吸能材料，它可以把外部機械功轉化為系統內的固相-液相界面能，採用這種新機制可以避免傳統吸能材料只能使用一次的缺陷，而且還可以通過減小多孔材料的孔徑、增加其比表面積來增加材料的吸能密度以及減小系統對衝擊載荷的回響時間。本項目採用計算模擬和實驗測試相結合的方法研究NEAS在衝擊載荷作用下的力學回響和吸能機制，以及理解在吸能過程中涉及的一些重要物理問題：納米環境下液固的浸潤行為、液體對納米孔的滲透以及進入納米孔後的傳輸行為。為了提高計算模擬的準確性，還可以模擬較大的時間、空間尺度，在本項目採用的計算方法中結合了基於第一性原理校核的分子動力學力場（COMPASS）,常規分子動力學模型（TIP3P）以及粗晶水模型力場。研究成果如下： 1. 液體表面張力和液固接觸角不隨液體尺度的減小而變化，而且溫度和電解質對其的影響和巨觀條件下相同；在巨觀條件下普遍接受的Young-Laplace方程在納米尺度下仍然有效，可以準確描述液體對納米孔的浸潤條件。 2. 在高速衝擊作用下，液體可以迅速進入納米孔，先以較低的密度在孔內高速傳輸，到底部後再被擠壓達到較高密度直至孔道被完全充滿。 3. NEAS的吸能耗散過程可分為兩部分:（I）能量吸收過程；（II）能量耗散過程。能量吸收在載入過程中完成，外部衝擊能隨著液體被壓入納米孔被系統吸收轉化為液體和固體孔之間的界面能；能量耗散在卸載過程中完成，系統儲存的界面能隨著液體流出納米孔而被液固間摩擦耗散成為熱。 4. 根據由水和納米碳管陣列構成的NEAS模型估算NEAS的最大吸能密度可以達到0.4kJ/cm3；這個值可以通過加入甘油溶液提高，對於由純甘油構成的NEAS吸能密度可增加到1.2 kJ/cm3。 5. NEAS的吸能密度不能通過增加孔壁面的粗糙度改善，壁面過大的粗糙度會導致卸載後孔內的液體不能有效流出，從而影響系統從再次吸能行為。 6. 由於樣品尺寸較小，噪音干擾較大，本項目中採用的霍普金森桿實驗無法取得可靠的結果，達到驗證計算模擬的目的。 7. 為了最佳化NEAS，通過計算模擬研究二維材料、高聚物薄膜等新型材料的力學性能，嘗試取代現有的脆性多孔材料。 上述研究結果已經充分顯示：NEAS 不僅可以提供較高的吸能密度，較快的回響時間，還可以再次使用，可以成為一種有效的吸能系統。