CN103883658A - 一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构 - Google Patents

Abstract

一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，包括一层或多层高分子材料外壳以及封装在高分子材料外壳内的纳米多孔材料混合液，纳米多孔材料混合液为纳米多孔材料和非浸润液体进行混合而成，纳米多孔材料和非浸润液体的最大质量比为3:1；纳米多孔材料为沸石、多孔硅土、纳米多孔金属、纳米多孔金属氧化物、碳纳米管、活性炭或纳米多孔高分子材料；非浸润液体为水、无机盐溶液、有机溶液、油基溶液、液体金属或胶体；所述高分子材料外壳的材料为橡胶、聚乙烯或聚氯乙烯；本发明通过将能量装换为固—液两相间的表面张力和摩擦力以及高分子材料的变形能，从而有效的提高了能量的吸收，且结构简单，同时重量也相对较轻，便于大规模生产和应用。

Description

一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构

技术领域

本发明涉及一种吸能结构，具体涉及一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构。

背景技术

迄今为止，大多数吸能材料为“软材料”，包括纤维增强高聚物、蜂窝金属（铝）/泡沫材料等。这些材料在受到外载荷时，通过“多点作用”的原理（大变形、屈曲、层裂、断裂、摩擦等），来吸收冲击所带来的能量和应力波，从而保护目标结构。这些材料在受到线性、低速冲击时能够较好地实现吸能效果，然而一旦受到非线性、高速冲击甚至多次冲击时，其吸能效果就会大幅度下降，主要原因在于应力区域化和材料响应时间太长。

随着纳米科学研究的深入，国内外相关学者已经发现并证实纳米复合材料可以通过以下三个方面对能量进行吸收，从而达到保护和防护冲击破坏的目的：

（1）屈曲：纳米复合材料由于其微观结构具有的尺寸为纳米级，因此能够达到高速冲击下，微观结构单元有足够的时间与空间对应力波的前沿进行响应；于此同时，在传统材料吸能过程中发生的局部“软化现象”所产生的剪切带中，纳米复合材料的微观单元能够产生局部“硬化”，从而保证周围材料空间的迅速均质化，使得材料的缓冲应力波的潜能得以发挥。然而，缓冲应力波仅仅能够应付小面积的高速冲撞，而并不足以吸收能量以最终减轻大面积碰撞所带来的损伤。

（2）断裂或开裂：纳米材料在受到载荷时，在大量吸收能量的情况下，纳米纤维与颗粒会和基体剥离，即产生开裂现象。由于开裂现象损耗的能量较多，从而达到吸能目的。此外，由于纳米材料具有的微观单元比传统材料高出几个数量级。因此很多材料单元参与断裂，就会消耗大量能。但是纳米复合材料由于复合相的加入易发生脆化，而使得绝大部分纳米颗粒和基体的界面难以开裂，降低了吸能效率。

（3）材料内部摩擦：以纳米多孔材料为代表，其孔洞率可达到30%～90%，材料的表面积大约为300～2000m²/g。内部材料颗粒在受到告诉冲击时会在材料内部进行运动，此时材料内部的大量表面积会发生摩擦，将动能转化为热能，达到能量耗散和吸收的效果。然后在冲击载荷下，其孔洞会发生永久屈曲，此后材料将无法抵抗新的冲击，导致其无法重复使用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，通过将能量装换为固—液两相间的表面张力和摩擦力以及高分子材料的变形能，从而有效的提高了能量的吸收，且结构简单，同时重量也相对较轻，便于大规模生产和应用。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，包括一层或多层高分子材料外壳2以及封装在高分子材料外壳2内的纳米多孔材料混合液1，所述纳米多孔材料混合液1为纳米多孔材料和非浸润液体进行混合而成，所述纳米多孔材料和非浸润液体的最大质量比为3:1；所述纳米多孔材料为沸石、多孔硅土、纳米多孔金属、纳米多孔金属氧化物、碳纳米管、活性炭或纳米多孔高分子材料。

所述沸石为ZSM-5沸石、Beta沸石或丝光沸石。

所述纳米多孔高分子材料为纳米纤维素、纳米级凯夫拉纤维、纳米级多孔橡胶、纳米级改性橡胶、纳米级天然塑料或纳米级合成塑料。

所述纳米多孔金属为纳米多孔铜、纳米多孔镍、纳米多孔铝、纳米多孔金、纳米多孔银、纳米多孔铂、纳米多孔铁或纳米多孔钛。

所述纳米多孔金属氧化物为多孔氧化铁纳米球、多孔氧化镁纳米颗粒、多孔氧化铝纳米球、多孔氧化铜纳米球、多孔氧化钙纳米颗粒、多孔氧化银纳米颗粒或多孔氧化锌纳米球。

所述非浸润液体为水、无机盐溶液、有机溶液、油基溶液、液体金属或胶体。

所述油基溶液为烷基油溶液、烃基油溶液或煤基油溶液。

所述胶体为氢氧化铝胶体、硅酸胶体或淀粉胶体。

所述无机盐溶液为氯化钠溶液、氯化钾溶液、氯化镁溶液、碳酸钠溶液或氢氧化钙溶液。

所述有机溶液为苯基溶液、酮基溶液、醇基溶液或羧基溶液。

所述液体金属为水银、液态铅或液态铝。

所述高分子材料外壳2的材料为橡胶、改性橡胶、天然塑料或合成塑料。

当封装后的纳米多孔材料吸能结构受到碰撞或冲击时，非浸润液体受到的压力将变大，当压力越过一个临界值后，非浸润液体将克服毛细阻力并进入纳米材料孔隙中，并且纳米流体所需克服的摩擦力会进一步增加能量的吸收。同时高分子材料外壳将承受部分的压力，发生弹性变形，从而吸收部分能量。这个过程实际上是将机械能转化成溶液固—液两相间的表面张力和摩擦力以及高分子材料弹性变形能的过程。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）当该纳米多孔材料吸能结构受到碰撞或冲击载荷时，充分利用纳米材料的巨大比表面积以及高分子材料的弹性变形能力，通过将能量装换为固——液两相间的表面张力和摩擦力以及高分子材料的变形能，从而有效提高了能量的吸收。

（2）通过改变纳米多孔材料的固体相（如材料种类、孔大小或者孔结构）或者液体相（如液体种类），可以有效控制固——液两相间的表面张力和摩擦力以及起始工作压力，使得该结构可以广泛应用与各类碰撞保护。

（3）由于高分子材料良好的弹性变形能力，在卸载后其可恢复到使用前的情况，此时流体将流出纳米孔道，使得该纳米多孔材料结构可以进行重复使用。

（4）由于纳米流体的可流动性，在使用高分子材料进行封装时，可以通过改变该纳米多孔材料吸能结构的外形，方便该结构在各类碰撞保护中的使用。

（5）该纳米多孔材料吸能结构所使用的材料成本低廉，且结构设计简单，同时质量也相对较轻，便于大规模生产和应用。

附图说明

图1是现有的利用活塞结构对纳米多孔材料进行封装后的示意图。

图2是根据本发明纳米多孔材料吸能结构的示意图。

图3是仅对纳米多孔材料进行加载后的应力—应变曲线图。

图4是对本发明纳米多孔材料吸能结构进行加载后的应力—应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细说明。

下面首先对本发明的原理和工作过程做如下说明：

当外界给该纳米多孔材料吸能结构施加外力时，液体将渗入纳米多孔材料的孔道中。该过程实际上为固——液界面能不断增加，液体在孔道内部运动以及高分子材料外壳发生弹性变形的过程。因此外界输入的机械能需要克服固——液界面间表面张力和液体运动所遇到的摩擦力以及高分子材料外壳的变形能，可以表示为：

ΔW₁=ΔE^S ₁+ΔE^D ₁+ΔE^T ₁   （1）

其中ΔW₁为液体渗入过程外界做的功，ΔE^S ₁为液体渗入过程形成的表面能，ΔE^D ₁为渗入过程中液体所遇阻力消耗的能量，ΔE^T ₁为高分子材料外壳发生弹性变形的形变能。

而在卸载后，高分子材料外壳的形变能不断释放，同时固——液界面积蓄的表面能不断释放，克服液体流动阻力以及对外界做功。因此是形变能和表面能转化成热能以及对外的机械能的过程，可以表示为：

ΔE^T ₂+ΔE^S ₂=ΔE^D ₂+ΔW₂   （2）

其中ΔE^S ₂为液体渗出过程所释放的表面能，ΔW₂为液体渗出过程对外界做的功，ΔE^D ₂为渗出过程中液体所遇阻力消耗的能量，ΔE^T ₂为高分子材料外壳释放的弹性形变能。

当然，等式（2）描述的是液体完全渗出孔道的情况。对于表面能不足以克服完全渗出所需的固——液摩擦能，液体可能残留于孔道，此时可以表示为：

ΔE^T ₂+ΔE^S ₂>ΔE^Dr ₂+ΔW^r ₂   （3）

其中ΔE^Dr ₂为部分液体渗出实际耗散的摩擦能，ΔW^r ₂为部分液体渗出对外实际做的功。即加载阶段吸收的一部分表面能将成为该结构吸收能量的一部分，卸载过程不会释放这部分能量。如果所有渗入孔道的液体均残留在孔道内没有流出，则ΔE^Dr ₂=ΔW₂=0。

通过上述分析可见，液体是否残留于孔道主要取决于ΔE^S ₂与ΔE^D ₂。根据Gibbs表面能公式ΔG=σ|cosθ|ΔΩ，表面能ΔE^S ₂主要取决于固——液界面张力σ，接触角q，及形成的表面大小ΔΩ。

与之类似的，有杨氏方程P_L=(2σ/r)|cosθ|，其中r是孔道的有效半径。可见渗入压强以及最终形成的表面能主要取决于孔道以及液体的类型。

如图1所示，为现有的利用活塞结构对纳米多孔材料进行封装后的吸能结构，包括中空腔体6，在中空腔体6中灌装有沸石混合液3，在中空腔体6上设置腔体盖5，载荷1通过活塞杆4直接施加给沸石混合液3，在活塞杆4和腔体盖5间还设置有密封圈2，该吸能结构在受到冲击或碰撞时，溶液液体易溅出，同时该结构较复杂，不适合应用于易受冲击或碰撞的结构中。

实施例一

如图2所示，本实施例一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，该纳米多孔材料为ZSM-5沸石，其平均孔径为0.5nm，将其与水进行混合后配置成浓度为1:1的溶液，使用聚氯乙烯制作而成的高分子材料外壳2对纳米多孔材料混合液1进行封装，则该纳米多孔材料吸能结构的固—液界面张力可以作为常量，此时固—液界面的接触角主要取决于孔道的憎水性。在渗入体积相同的情况下，ZSM-5沸石材料的憎水性强，接触角大，渗入压强大，表面能也大，反之则两者均减小。

同时在纳米尺度下，不能将流体看作连续态来进行分析，流体在纳米受限空间下的流动所受到的阻力也不再是传统意义上层流所具有的粘性力，而应该是水分子与固体孔道晶体之间的某种相互作用。水分子在纳米孔道中流动时，孔道内壁与位于孔道内壁附近的水分子之间的“剪应力”作用是水分子在孔道中流动所受到的主要作用力。这种“剪应力”作用一方面与ZSM-5骨架的憎水性有关，另一方面与其孔径及流速有关。ZSM-5骨架的憎水性越强，其对水分子的作用力就越小；而孔径越小，骨架上与水分子邻近的硅氧四面体或铝氧四面体就越少，对水分子的作用力就越小。而ZSM-5沸石的孔径不足1nm，且经加热处理后憎水性很强，因此水分子能够很顺畅地在孔道中进行滑动，所受阻力很小。

综合分析加卸载过程，无论卸载过程液体是否渗出，根据能量守恒均有ΔE^S ₁=ΔE^S ₂，同时高分子材料外壳吸收和释放的能量应相等，即ΔE^T ₁=ΔE^T ₂。而ZSM-5水溶液在卸载阶段能全部渗出，则有：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{W}_1=\mathrm{\Δ}{E^S}_1+\mathrm{\Δ}{E^D}_1+\mathrm{\Δ}{E^T}_1\\ \mathrm{\Δ}{E^T}_2+\mathrm{\Δ}{E^S}_2=\mathrm{\Δ}{E^D}_2+\mathrm{\Δ}{W}_2\end{array}\right.---\left(4\right)$

可得：ΔW₁-ΔW₂=ΔE^D ₁+ΔE^D ₂。即整个加卸载过程的能量转化过程为：外界做的功转化为渗入渗出过程中水分子与孔道“摩擦”所产生的热量。

由于该结构在使用过程中的“摩擦”耗散能量较小，仅为ΔE^D=7.460J，可以忽略不计，因此该结构可以作为缓冲吸能装置，类似于一个具有缓冲作用的弹簧，尤其在冲击作用下，能够显著降低力的峰值，起到保护作用。同时水分子渗入ZSM-5沸石孔道形成的表面能ΔE^S=174.587J，再考虑高分子材料外壳弹性变形吸收的巨大形变能，可见该结构在受到碰撞或冲击时实现了大量的能量转移，可以对目标结构达到良好的保护作用。该保护作用可以通过对图3和图4的应力—应变曲线图的比较看出：从图3中可以看出当应力达到150MPa时，应变仅仅在0.3左右，图3即为图1所示吸能结构进行加载后的应力—应变曲线图；图4为本实施例吸能结构在加载过程中的应力——应变曲线，可见在应力达到150MPa左右时，有一段明显的平台，同时应变可以达到0.5左右。比较图3和图4，可以看出在相同的应力下，本实施例吸能结构可以吸收的能量更多，因此可见本发明的结构具有良好的吸能效果和应用情景。

如果该结构的“摩擦”耗散小到可以忽略，则渗入渗出过程所需的外力是一定的，因此在不考虑孔径有一定分布的条件下，曲线的平台段将是严格的水平线。外力超过该值，水分子将渗入；低于该值，水分子将渗出。

实施例二

如图2所示，本实施例基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，该纳米多孔材料为多孔硅土，其平均孔径为5nm，将其与氯化钠溶液进行混合后配置成浓度为1:2的溶液，使用丁苯橡胶制作而成的高分子材料外壳2对纳米多孔材料混合液1进行封装。

实施例三

如图2所示，本实施例基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，该纳米多孔材料为碳纳米管，其平均孔径为40nm，将其与水银进行混合后配置成浓度为1:5的溶液，使用天然橡胶制作而成的高分子材料外壳2对纳米多孔材料混合液1进行封装。

实施例四

如图2所示，本实施例基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，该纳米多孔材料为活性炭，其平均孔径为150nm，将其与环烷基油溶液进行混合后配置成浓度为1:10的溶液，使用聚氯乙烯制作而成的高分子材料外壳2对纳米多孔材料混合液1进行封装。

实施例五

如图2所示，本实施例基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，该纳米多孔材料为纳米多孔镍，其基体相纳米镍颗粒的平均大小为60nm，将其与酒精溶液进行混合后配置成浓度为2:1的溶液，使用聚乙烯制作而成的高分子材料外壳2对纳米多孔材料混合液1进行封装。

实施例六

如图2所示，本实施例基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，该纳米多孔材料为多孔氧化铁纳米球，其基体相纳米级氧化铁颗粒的平均大小为100nm，将其与丙酮溶液进行混合后配置成浓度为1:4的溶液，使用天然橡胶制作而成的高分子材料外壳2对纳米多孔材料混合液1进行封装。

实施例七

如图2所示，本实施例基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，该纳米多孔材料为纳米级纤维素，其基体像纤维素颗粒的平均大小为125nm，将其与乙酸溶液进行混合后配置成浓度为1:4的溶液，使用脱硫异戊橡胶制作而成的高分子材料外壳2对纳米多孔材料混合液1进行封装。

实施例八

如图2所示，本实施例基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，该纳米多孔材料为纳米级凯夫拉纤维，其基体相凯夫拉纤维素颗粒的平均大小为260nm，将其与氯化钾进行混合后配置成浓度为3:1的溶液，使用聚氯乙烯制作而成的高分子材料外壳2对纳米多孔材料混合液1进行封装。

实施例九

如图2所示，本实施例基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，该纳米多孔材料为纳米级多孔天然橡胶，其基体相天然橡胶颗粒的平均大小为170nm，将其与硅酸胶体进行混合后配置成浓度为1:6的溶液，使用聚苯乙烯制作而成的高分子材料外壳2对纳米多孔材料混合液1进行封装。

实施例十

如图2所示，本实施例基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，该纳米多孔材料为纳米级聚氯乙烯，其基体相聚氯乙烯颗粒的平均大小为110nm，将其与水银进行混合后配置成浓度为1:6的溶液，使用天然橡胶制作而成的高分子材料外壳2对纳米多孔材料混合液1进行封装。

Claims (7)

1.一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，其特征在于：包括一层或多层高分子材料外壳（2）以及封装在高分子材料外壳（2）内的纳米多孔材料混合液（1），所述纳米多孔材料混合液（1）为纳米多孔材料和非浸润液体进行混合而成，所述纳米多孔材料和非浸润液体的最大质量比为3:1；所述纳米多孔材料为沸石、多孔硅土、纳米多孔金属、纳米多孔金属氧化物、碳纳米管、活性炭或纳米多孔高分子材料。

2.根据权利要求1所述的一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，其特征在于：所述沸石为ZSM-5沸石、Beta沸石或丝光沸石。

3.根据权利要求1所述的一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，其特征在于：所述纳米多孔高分子材料为纳米纤维素、纳米级凯夫拉纤维、纳米级多孔橡胶、纳米级改性橡胶、纳米级天然塑料或纳米级合成塑料。

4.根据权利要求1所述的一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，其特征在于：所述非浸润液体为水、无机盐溶液、有机溶液、油基溶液、液体金属或胶体。

5.根据权利要求4所述的一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，其特征在于：所述油基溶液为烷基油溶液、烃基油溶液或煤基油溶液。

6.根据权利要求4所述的一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，其特征在于：所述胶体为氢氧化铝胶体、硅酸胶体或淀粉胶体。

7.根据权利要求1所述的一种利用高分子材料封装的纳米多孔材料吸能结构，其特征在于：所述高分子材料外壳（2）的材料为橡胶、改性橡胶、天然塑料或合成塑料。

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