一種緩沖吸能的納米流體的制備方法技術

一種利用納米流體進行緩沖吸能的方法，基于納米約束流體特有的“表面效應”和“水錘效應”，對弱疏水性納米多孔材料進行高溫干燥、冷卻清洗以及表面改性，然后將其與水基溶液混合配制，將混合后的納米流體置于目標結構中，當該目標結構受到外力作用時，將對外界能量進行吸收從而起到安全防護的作用；該納米流體可以重復使用，其吸能特性具有長期持續性，極大地節約了成本，適合大規模應用。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種進行緩沖吸能的方法，具體涉及。
技術介紹
傳統的能量吸收材料主要有復合材料，多孔金屬，泡沫材料，形狀記憶合金和凱夫拉纖維等。其中高聚物泡沫材料的密度僅為0.03?0.3g/cm3，但其吸能密度只有0.1?2J/g ;而金屬泡沫材料和多孔編織復合材料的吸能密度雖然可達到10J/g甚至更高，但其仍然無法滿足對安全防護的需要。同時這些傳統的吸能材料通過大變形、屈曲、斷裂、摩擦等原理來吸收能量，其破壞的過程往往是不可恢復的，因此具有很大的局限性，并且無法多次重復使用，需要經常更換導致使用成本增大。隨著納米科學的發展，科學家們試圖利用納米復合材料來進行安全防護。納米復合材料主要通過屈曲、斷裂或開裂以及材料內部的摩擦來吸收能量，從而達到保護目標結構的目的。然而納米復合材料由于復合相的加入，容易發生脆化，使得緩沖效果大大降低。同時，納米復合材料的孔洞將發生永久屈曲，導致其無法承受多次沖擊。
技術實現思路
為了解決上述現有技術存在的問題，本專利技術的目的在于提供，基于納米約束流體特有的“表面效應”和“水錘效應”，對弱疏水性納米多孔材料的進行高溫干燥、冷卻清洗以及表面改性，然后將其與水基溶液混合配制，將混合后的納米流體置于目標結構中，當該目標結構受到外力作用時，將對外界能量進行吸收從而起到安全防護的作用；該納米流體可以重復使用，其吸能特性具有長期持續性，極大地節約了成本，適合大規模應用。為了達到以上目的，本專利技術采用如下技術方案:，包括如下步驟:步驟1:利用高溫管式爐對弱疏水性的納米多孔材料進行高溫干燥處理，溫度控制在600 °C?1300 °C，恒溫至少3小時；步驟2:待納米多孔材料冷卻后，利用氯化鈉溶液對其表面進行清洗；步驟3:在500°C?600°C溫度下，利用滲碳、滲氮或碳氮共滲的方法對清洗后的納米多孔材料進行表面改性；步驟4:將改性后的納米多孔材料和水基溶液混合，納米多孔材料和水基溶液的質量比為1:6?1:1，即得到所需要的納米流體；步驟3:根據實際使用情況，對納米流體進行封裝，其最終封裝的形狀不受限制，封裝后的納米流體即能夠進行使用。所述納米多孔材料為沸石、多孔硅土、碳納米管或活性炭。所述水基溶液為水、無機鹽溶液、酒精溶液或有機溶液。和現有技術相比，本專利技術具有以下優點:(I)通過對納米多孔材料進行高溫處理，將最大限度的提高和發揮納米多孔材料的吸能效果。(2)利用氯化鈉溶液對納米多孔材料進行清洗，可以有效地將高溫干燥后附著在材料表面的雜志清洗干凈。(2)改性后的納米多孔材料和水基溶液配制后，將有效解決納米多孔材料的沉淀問題，使納米多孔材料分散到水基溶液中去。(3)該納米流體可以重復利用，其吸能特性具有長期持續性，不需要經常更換材料。(4)由于該方法使用納米流體作為工作介質，可內嵌設計在結構框架內，其最終封裝的形狀是不受限制的，因此可根據設備、機構的具體要求進行設計，具有很大的靈活性。(5)納米多孔材料和水基溶液的成本相對較低，且配制成納米流體時操作簡單易行，適合大規模推廣使用。【附圖說明】圖1是利用納米流體“表面效應”吸收能量的不意圖。圖2是納米流體“水錘效應”的示意圖。圖3是納米流體在微桁架結構中使用的示意圖。圖4是納米流體在不同速率下的應力一應變曲線圖。圖5是納米流體和氯化鈉溶液在受到沖擊情況下的應力一時間曲線比較圖。圖6是納米流體和氯化鈉溶液在受到沖擊情況下的應變一時間曲線比較圖。【具體實施方式】下面首先對本專利技術的原理和工作過程做如下說明:以納米多孔材料為代表，其孔洞率可達到30%?90%，材料的表面積大約為300?2000m2/g。納米流體一般由弱疏水性的納米多孔材料和水基溶液混合而成，在納米尺度下納米流體的固一液兩相間的界面能非常顯著，當液體進如納米孔道時，需要克服固一液界面間的張力，通過將外界機械能轉換為固一液界面能來達到吸收能量的目的。該過程主要利用了納米約束流體特有的“表面效應”和“水錘效應”。圖1所示為利用納米流體“表面效應”進行能量吸收的示意圖，給納米流體施加一定的外界壓力，當壓力值超過某一臨界值，液體分子將克服固一液界面間的毛細阻力，滲透進入納米孔道中。由于納米多孔材料的孔壁基本不發生變形，因此由機械能轉換而成的固一液界面能將作為液體分子的內能被很好的保存捕捉下來。當卸載時，進入納米孔道的液體分子將自動流出，其捕捉的內能也將得以釋放。圖1中曲線圍成的面積部分即為納米材料在一次加卸載循環下吸收的能量。圖2所示為納米流體“水錘效應”的示意圖，即無序的液體分子在沖擊波作用下，將進入弱疏水性的納米孔道中，被迫呈準一維排列。并且由于納米孔壁僅為一個原子厚度，應力波將無法在孔壁厚度方向傳播，被迫以一維方向傳播。這兩個效應疊加，使得應力波幅值將大幅度降低，同時將延長應力波作用時間，使納米流體得以充分吸收沖擊過程中產生的巨大能量。考慮到沖擊應力引起滲透的響應時間在納秒左右(十億分之一秒)，使得納米流體在高速沖擊情況下，也能做出及時的反應，充分吸收應力波。利用納米流體的“表面效應”和“水錘效應”進行能量吸收，其整個過程捕捉吸收的能量為E = PwVp，其中Pw為外界應力，V p為納米孔道的體積(一般情況下為納米材料總體積的40?80% )。需要指出的是，液體分子進入納米孔道的臨界壓力Pi只與納米流體本身的材料有關，因此選擇合適的溶質納米多孔材料和溶劑液體，將對納米流體的起始工作壓力Pi起到決定作用，對其整個過程的吸能效果也將產生重要影響。下面結合附圖和【具體實施方式】，對本專利技術做進一步詳細說明。首先，將納米多孔硅土置于1000°C的管式爐中進行6小時的高溫處理，然后用濃度為0.5mol/L的氯化鈉溶液對高溫處理后的納米多孔硅土進行表面清洗，接著在530°C?550°C對清洗后的納米多孔硅土通過滲氮方法進行表面改性，然后將改性后的納米硅土與lmol/L的氯化鈉溶液按照質量比1:3進行混合配制成納米流體，最后將納米流體封裝進空心微桁架中，如圖3所示為納米流體在微桁架結構中使用的示意圖。對微桁架進行準靜態測試得到如圖4所示的在不同速率下的應力一應變曲線。從圖中可以看出，納米流體在壓縮過程中存在一個平臺，在不同速率下，其對應的應力平臺值也達到1MPa?20MPa。同時其應力平臺段的應變可以達到0.7甚至更高，可見納米流體具備優異的吸能特性。比較納米流體在不同加載速率下的吸能情況，當速率越高，其吸能平臺也越高，這主要是由于液體分子的摩擦力變大造成的，有更多的外界機械能被轉換為液體分子的熱能，也在一定程度上提高了吸收能量的效率。圖5所示為納米流體和氯化鈉溶液在受到沖擊情況下的應力一時間曲線圖。從圖中可以看出，沖擊波通過氯化鈉溶液后其輸出沖擊應力和輸入沖擊應力基本一樣，而沖擊波通過納米流體后其輸出沖擊應力僅為輸入沖擊應力的20%?25%，表面利用納米流體可以極大地降低應力波幅值，對應力波進行吸收。圖6所示為納米流體和氯化鈉溶液在受到沖擊情況下的應變一時間曲線圖。從圖中可以看出，納米流體系統的響應時間極快，其應變的幅值僅為氯化鈉溶液的50 %，表面納米流體系統可以延長應力波的作用時間，使應力波得到充分的吸收。并且比較納米流體第一、二次的應變一時間曲線可以發現，兩條曲線基本重合，表明該納米流本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種緩沖吸能的納米流體的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：步驟1：利用高溫管式爐對弱疏水性的納米多孔材料進行高溫干燥處理，溫度控制在600℃～1300℃，恒溫至少3小時；步驟2：待納米多孔材料冷卻后，利用氯化鈉溶液對其表面進行清洗；步驟3：在500℃～600℃溫度下，利用滲碳、滲氮或碳氮共滲的方法對清洗后的納米多孔材料進行表面改性；步驟4：將改性后的納米多孔材料和水基溶液混合，納米多孔材料和水基溶液的質量比為1：6～1:1，即得到所需要的納米流體；步驟3：根據實際使用情況，對納米流體進行封裝，其最終封裝的形狀不受限制，封裝后的納米流體即能夠進行使用。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：陳曦，鄧曉彬，周迦律，閆淵，
申請(專利權)人：陳曦，
類型：發明
國別省市：陜西;61