基于纳米多孔材料的新型能量吸收系统的研究

本项目拟研究基于纳米多孔颗粒，非浸润液体以及一个密闭的环境的纳米多孔吸能系统（NEAS）对高速冲击载荷的力学响应和系统的抗冲击吸能机制，以及理解吸能过程中所涉及的重要物理问题：包括液体对纳米孔的浸润，以及冲击载荷驱动引起的液体渗透和在孔中的传输，并在此基础上实现研究设计新型高效的吸能材料以及发展新型吸能机制的最终目的。本研究将以高速冲击实验和多尺度计算模拟方法相结合为主要手段，其中多尺度模拟方法综合了密度泛函理论、分子动力学和有限元方法的优势，可以有效的克服目前所用的常规分子动力学的一些缺陷，从而能够更准确表征上述的物理机制和现象；在高速冲击实验中采用了常规的分离式霍普金森杆和先进的冲击波加载实验相结合的方式，这样可以更为全面的研究系统对不同模式的冲击载荷响应以及对目标的吸能保护效果。NEAS不仅可以提供较高的吸能密度，较快的响应时间，还可以多次使用，因而可能成为一种广泛使用先进吸能系统。

基于纳米多孔材料和非浸润液体环境的复合吸能耗散系统（NEAS）是一种新型吸能材料，它可以把外部机械功转化为系统内的固相-液相界面能，采用这种新机制可以避免传统吸能材料只能使用一次的缺陷，而且还可以通过减小多孔材料的孔径、增加其比表面积来增加材料的吸能密度以及减小系统对冲击载荷的响应时间。本项目采用计算模拟和实验测试相结合的方法研究NEAS在冲击载荷作用下的力学响应和吸能机制，以及理解在吸能过程中涉及的一些重要物理问题：纳米环境下液固的浸润行为、液体对纳米孔的渗透以及进入纳米孔后的传输行为。为了提高计算模拟的准确性，还可以模拟较大的时间、空间尺度，在本项目采用的计算方法中结合了基于第一性原理校核的分子动力学力场（COMPASS）,常规分子动力学模型（TIP3P）以及粗晶水模型力场。研究成果如下：.1..液体表面张力和液固接触角不随液体尺度的减小而变化，而且温度和电解质对其的影响和宏观条件下相同；在宏观条件下普遍接受的Young-Laplace方程在纳米尺度下仍然有效，可以准确描述液体对纳米孔的浸润条件。.2..在高速冲击作用下，液体可以迅速进入纳米孔，先以较低的密度在孔内高速传输，到底部后再被挤压达到较高密度直至孔道被完全充满。.3..NEAS的吸能耗散过程可分为两部分:（I）能量吸收过程；（II）能量耗散过程。能量吸收在加载过程中完成，外部冲击能随着液体被压入纳米孔被系统吸收转化为液体和固体孔之间的界面能；能量耗散在卸载过程中完成，系统储存的界面能随着液体流出纳米孔而被液固间摩擦耗散成为热。.4..根据由水和纳米碳管阵列构成的NEAS模型估算NEAS的最大吸能密度可以达到0.4kJ/cm3；这个值可以通过加入甘油溶液提高，对于由纯甘油构成的NEAS吸能密度可增加到1.2 kJ/cm3。.5..NEAS的吸能密度不能通过增加孔壁面的粗糙度改善，壁面过大的粗糙度会导致卸载后孔内的液体不能有效流出，从而影响系统从再次吸能行为。.6..由于样品尺寸较小，噪音干扰较大，本项目中采用的霍普金森杆实验无法取得可靠的结果，达到验证计算模拟的目的。.7..为了优化NEAS，通过计算模拟研究二维材料、高聚物薄膜等新型材料的力学性能，尝试取代现有的脆性多孔材料。.上述研究结果已经充分显示：NEAS 不仅可以提供较高的吸能密度，较快的响应时间，还可以再次使用，可以成为一种有效的吸能系统。