吸能减震纳米流控系统研究现状_肖洪玖.pdf

基金项目：国家自然科学基金面上项目（编号：51974246）收稿日期：20221127吸能减震纳米流控系统研究现状*肖洪玖，闵世威（西安石油大学 机械工程学院，西安710065）摘要：纳米流控系统的能量吸收密度远高于传统吸能材料，可用于机械结构部件的吸能减震，具有很大的应用前景。纳米流控系统是由纳米多孔介质与非浸润性功能流体封装而成，与传统吸能材料相比，具有极其优良的吸能减震效果，具有体积小、能量吸收密度高、可重复使用等优势，工作原理为机械能向固液界面能的转换和吸收或耗散。从纳米流控系统的工作原理出发，给出了纳米流控系统的研究现状。详细阐述了内部因素如纳米多孔介质种类、功能流体种类等对纳米流控系统吸能特性的影响规律，外部因素如系统环境温度、加载速率以及外加电场等对纳米流控系统吸能特性的影响规律，探讨了进一步研究的方向与思路，展望了纳米流控系统的未来发展方向与应用前景。关键词：纳米流控系统；纳米多孔介质；功能流体；系统温度；加载速率；外加电场中图分类号：TP242文献标志码：A文章编号：10099492(2023)03003906Research Status of Energy Absorption and Shock Absorption Nanofluidic SystemXiao Hongjiu，Ming Shiwei（Mechnical Engineering College,Xian Shiyou University,Xian 710065,China）Abstract:The energy absorption density of nanofluidic system is much higher than that of traditional energy absorbing materials,so it can beused for energy absorption and shock absorption of mechanical structure parts,and has a great application prospect.Nanofluidic system isencapsulated by nanoporous medium and non-invasive functional fluid.Compared with traditional energy-absorbing materials,it has excellentenergy absorption and shock absorption effect,and has the advantages of small volume,high energy absorption density,and reusable.Theworking principle is the conversion and absorption or dissipation of mechanical energy to solid-liquid interface energy.Based on the workingprinciple of nanofluidic system,the research status of nanofluidic system was analyzed.The influence law of internal factors such as the type ofnanoporous medium and the type of functional fluid on the energy absorption characteristics of the nanocrystal system was elaborated,and theinfluence law of external factors such as the system ambient temperature,loading rate and applied electric field on the energy absorptioncharacteristics of the nanocrystal system was elaborated,and the direction and ideas of further research were discussed.The future developmentdirection and application prospect of nanofluidic system were analyzed and prospected.Key words:nanofluidic systems;nanoporous media;functional fluids;system temperature;loading rate;applied electric field2023年03月第52卷第03期Mar.2023Vol.52No.03机电工程技术MECHANICAL&ELECTRICAL ENGINEERING TECHNOLOGYDOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2023.03.007肖洪玖，闵世威.吸能减震纳米流控系统研究现状 J.机电工程技术，2023，52（03）：39-44.0引言吸能减震零部件是机械结构保证安全稳定持续工作中极其重要的一部分，为保证其稳定工作，需要选用可靠的吸能减震材料。纳米流控系统是由纳米多孔介质与非浸润性功能流体封装而成，与传统吸能材料相比，具有极其优良的吸能减震效果，同时具有体积小、能量吸收密度高等优势。传统吸能材料主要依靠自身的塑性变形以及断裂来实现，能量吸收密度偏低，如泡沫铝的能量吸收密度只有0.7 J/cm31。纳米流控系统得益于纳米多孔介质材料的超高比表面积，具有极高的能量吸收密度，如实验中基于沸石Zeolite和去离子水制成的纳米流控系统的能量吸收密度高达17.8 J/cm32，数值模拟中基于单壁碳纳米管和水分子制成的纳米流控系统的能量吸收密度高达 3001 300 J/cm33。纳米流控系统可以重复吸能，可以实现多次利用4。纳米流控系统能量吸收效率与阈值受多因素的影响，可以通过调整纳米流控系统内部及外部因素达到系统吸能自控，应用空间极大。早在20世纪90年代，有学者开始对液体渗透进入纳米多孔材料的过程进行研究，这是纳米流控系统的雏形5。后续研究学者对纳米流控系统的纳米多孔介质、功能流体、加载速率、系统温度等影响因素对纳米流控系统吸能减震特性进行了试验研究与数值模拟分析，着力研究纳米流控系统作为能量转换吸收耗散部件的应用优势。本文介绍了纳米流控系统的研究概况，论述和分析了系统内部因素与外部因素对纳米流控系统的影响机理，探讨了进一步的研究方向与思路，并对纳米流控系统的研究方向和应用前景进行分析与展望。391工作原理纳米流控系统作为新一代能量吸收耗散部件，其工作过程示意图如图1所示。非浸润性功能流体与纳米多孔介质封装在密封容器内环境中，由于功能流体的非浸润性，在常温常压下液体分子与纳米多孔介质之间存在能量壁垒，功能流体不会自主侵入纳米孔道内。当外部施加的载荷大到一定程度，液体分子才能在外力作用下克服液固相界面之间的能量壁垒，侵入纳米孔道内。液体分子侵入纳米孔道内的过程主要分为3个阶段：液体的压缩阶段、液体进入纳米孔道的渗透阶段与进孔后的液体压缩阶段。能量吸收主要存在于第二阶段，在液体进入纳米孔道的渗透阶段中，机械能向固液界面能的转换和吸收或耗散。液体进孔压力来源于纳米孔入口处的能量壁垒，该渗透进孔的压力可以用来衡量侵入纳米孔难易程度，是描述纳米流控系统渗透过程重要指标之一。图2为纳米流控系统压缩过程中对应的压力-体积特性变化曲线，其中实线代表渗透阶段，虚线代表渗出阶段。从图中可以看出，压力随体积变化过程中出现一个进孔压力平台区，表明液体体积变化但是系统压强并未出现升高，平台区代表着纳米流控系统的渗透阶段，即能量吸收耗散阶段。2内部因素影响纳米流控系统是由纳米多孔介质与非浸润性功能流体封装而成，从纳米流控系统自身组成可以看出，纳米流控系统的吸能减震特性受到自身因素如纳米多孔介质种类、功能性流体种类等因素有关，许多研究学者针对于此进行探索分析，本节从纳米流控系统自身内部因素进行分析讨论。2.1纳米孔道种类纳米流控系统中的纳米孔道并非均匀分布，存在变孔径孔道，孔道的种类会影响纳米流控系统的吸能减震特性。实际情况中，由于实验采用的纳米多孔介质中孔道大小存在分散性，增加了孔径类型对纳米流控系统吸能特性的影响，因此研究学者采用分子动力学数值模拟分析孔径对纳米流控系统的影响。由于碳纳米管具有光滑的表面、均匀的尺寸以及电中性6，水具有简单的几何结构和化学成分7，在分子动力学数值模拟过程中常采用碳纳米管模型代表纳米多孔介质孔道，用水分子代表功能流体，建立纳米流控系统模型，模型如图3所示。针对光滑碳纳米管构建的纳米流控系统的研究中，文献8研究了压力驱动下碳纳米管的水渗透行为，验证并分析水分子可以通过外部冲击载荷从外部渗透到碳纳米管中。文献9发现在高速冲击载荷下纳米流控系统的吸能密度随管径的增大而减小。文献10分析了不同碳纳米管直径对水池密度和速度的影响，发现不同直径碳纳米管的管内速度分布结果相同，管壁对水流的影响较小，随着管径的增大，水分子速度分布的峰值逐渐接近管壁。文献11分析了碳纳米管手性载体对纳米流控系统的影响，增加m和n可以降低临界渗透压，改变碳纳米管的类型，从手性碳纳米管到锯齿形碳纳米管再到扶手碳纳米管，吸收能量密度和效率也会降低。实际上纳米多孔介质内部通道类型变化多样，并非均一。纳米通道的形状、表面粗糙度对纳米流控系统吸能耗散行为都由影响，因此基于异型碳纳米管构建的纳米流控系统受到研究学者的关注。图4（a）是一种基于异质结碳纳米管构建的纳米流控系统模型，文献12研究发现当储层体积一定时，系统的能量缓解高度依赖于异质结碳纳米管的几何尺寸和冲击能量，第一段渗透管段的长度是影响结果的主要参图1纳米流控系统工作示意图图2纳米流控系统压力-体积特性变化曲线图3纳米流控系统计算模型示意图2023年03月机 电 工 程 技 术第52卷第03期 40肖洪玖，闵世威：吸能减震纳米流控系统研究现状数。通过对该系统的精细调整，可以实现更高的效率和更高的能力，防止各种冲击加载情况。这在一定程度上拓宽了纳米流控系统的应用。图4（b）是基于两段不同孔径搭接起来的变径碳纳米管构建纳米流控系统模型，与常规纳米流控系统所用功能流体不同，文献13将甲烷气体替换功能流体，研究结果表明，在瓶状单壁碳纳米管中，结降低了水通过纳米管的流畅程度，碳纳米管直径越小越明显。相比之下，对于具有更多结的阶梯状单壁碳纳米管，结会成为加速甲烷分子扩散的驱动力。文献14采用图4（c）模型，直接将纳米流控系统中碳纳米管更换成碳纳米锥，对水渗入碳纳米锥的基本行为进行研究。研究结果有助于理解和预测纳米流体渗透到具有更一般截面的纳米孔中，并有助于设计具有疏水-亲水（或润湿-非润湿）过渡能力的纳米结构表面。文献15的模型采用的是粗糙碳纳米管，如图4（d）所示，研究了粗糙度对粗糙纳米孔内水分子输运阻力的影响，研究发现相对粗糙度越大，输运阻力越大。此外，纳米孔越小，效应壁粗糙度越明显，同时可以通过调节纳米孔壁粗糙度为纳米流控器件提供多种有前景的应用。用于研究的纳米多孔材料种类很多，包括硅胶、型沸石、菱沸石、MCM-41沸石、二氧化硅等，可以揭示流体渗透体积与渗透压之间的关系。研究发现由MCM-41硅胶材料组成的纳米流控系统呈现预期的稳定性，通过几次不断循环加载，得到的系统的渗透/解吸结果是可重复的16。由水与MFI型沸石组成的纳米流控系统的临界渗透压大约为100 MPa，即在外界压强大约为100 MPa时水开始渗透进入沸石孔道中17。2.2功能流体种类不同种类功能流体的非浸润程