多级液体渗透纳米多孔介质系统的能量吸收/转换机理研究

Liquid-Nanoporous Medium Energy Absorption/ Conversion System (LNEAS) consists of functional liquid and nanoporous material. This system converts energy between the interfacial form and the external form with the energy conversion efficiency much higher than that of conventional energy absorption materials. This project proposes to construct a multi-stage LNEAS by using nanoporous materials with different pore size distribution to realize multi-stage energy absorption. By means of experiment and molecular dynamics simulation, the distribution of pore diameter of porous material and its ratio with liquid will be studied, multi-stage LNEASs will be constructed, and key parameters and criterion for establishing the multi-stage LNEAS will be determined; considering the thermal dissipation effect and the wettability change caused by the change of temperature, the thermal sensitivity and energy absorption / conversion characteristics of the multistage system will be investigated under different constant system temperature and with the system temperature changing; in allusion to the shear thinning of the liquid in nano-channel, the relationship between the shear stress and the velocity effect under different porous structure will be explored; coupling the multistage dissipation process under temperature changing with that under different loading rate, the multistage infiltration process of liquid molecules in nanochannel will be illuminated. Given the above, the physical mechanisms about the energy absorption / conversion process in multi-stage LNEASs can be obtained, which help to provide scientific basis for LNEAS to be more controllable and efficient in low-grade energy recovery, energy saving and shock absorption, etc.

液体-纳米多孔介质能量吸收/转换系统（LNEAS）由功能流体与纳米多孔材料封装后获得，该系统将外部能量以相界面能的形式存储并释放，能量耗散率远高于传统吸能材料。本项目提出利用纳米多孔介质孔径大小差异，构建具有梯级蓄能特性的LNEAS，实现能量的分级吸收。借助实验与分子动力学模拟研究，寻找使LNEAS具备梯级蓄能特性的孔径分配临界比，确定建立梯级蓄能特性的LNEAS的关键参数和判定准则；考虑热耗散效应及温度对液固相间浸润性的影响，研究恒温与变温条件下多级系统各级的热敏感程度和能量吸收转换特性；针对纳米孔道内液体的剪切稀化现象，探索抗剪应力随孔道结构变化及其与速率效应的关系；耦合变温与变加载速率的多级能量耗散过程，分析液体分子、离子在纳米孔道中的多级渗透、输运行为，揭示具备梯级蓄能特性LNEAS的能量吸收转换机理，为其在低品位能回收、节能降耗、缓冲减震等方面更可控、高效的应用提供理论依据。

本项目通过实验与分子动力学模拟，研究了多孔材料结构、温度以及载荷加载速率对多级LNEAS梯级蓄能特性的影响。LNEAS的梯级蓄能特性与所采用多孔介质的孔径分布、系统液固相间的表面张力有较大的相关性，多孔介质孔径越小，其构成的LNEAS对孔径分布及其系统的等效表面张力越敏感。当多孔介质与功能流体所构成的单纯体系的渗透压相差在十兆帕的量级上时，由该两种/多种多孔介质与功能流体构成的LNEASs即可以体现出对应于两个单纯体系的梯级蓄能特性，其混合体系的各级渗透压对应于原单纯体系的渗透压。液体在变径孔道中的流动还受变径结构、孔道粗糙度等因素的影响。与单级LNEAS类似，多级LNEAS的渗透压随着环境温度的升高而降低，随着加载速率的升高而升高。在单管变径cnt中，顶管管径对底管渗透压影响不大，但底管管径对顶管渗透压影响较明显。在双管变径cnt中，大管与小管两者的渗透压不会受到各自的影响。水渗透疏水性纳米锥时，自发渗透和压力辅助渗透机制之间会发生转变。在相同的钝锥角下，长纳米锥和短纳米锥可以表现出不同的润湿性质。水分子在cnt内流动所受到的壁面剪应力随表面粗糙度的增大而明显增大，管径越小，壁粗糙度的影响越明显。系统温度通过影响多级LNEAS中各子系统的渗透压以及功能流体的表观粘性系数影响系统的梯级蓄能特性。系统温度与孔径的耦合影响研究结果表明，多孔介质孔径越小，渗透压对环境温度越敏感。温度对临界渗透压影响微观上主要体现在水分子中氢键的热响应。在小尺寸下，流体分子在孔道内的输运形态将更类似链状结构，纳米孔道的限制作用将更加明显，因此系统内能的提升对于进孔过程的影响也会更加显著。当加载速率小于0.06 mm∙s-1时，可认为是准静态过程。动载作用下，加载速率越大，液体进出孔的摩擦耗散越大，当两级系统吸能阈值相差较小时，梯级蓄能界限消失。冲击载荷作用下，液相物理特性和固相几何结构的变化会导致进口局部压力的急剧升高，液体入孔的“表观”渗透压相比准静态载荷作用下提高2~5倍，表观渗透压和加载速率之间为正反馈。梯级LNEAS中，当上一级平台的渗透压高于下一级平台的渗透压，梯级蓄能特性消失，但其LNEAS依旧可以作为单级系统使用。研究结果可以为梯级LNEAS的应用提供理论及数据支持。