吸能减震纳米流控系统研究现状

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。

基于纳米流控系统的封隔器胶筒肩部防护装置及其弹性层应用特性

针对封隔器胶筒因肩部应力集中导致的密封失效问题,提出了一种基于纳米流控系统的封隔器胶筒肩部防护装置。该肩部防护装置由楔形金属环和环形弹性层组成,弹性层具有独特的压力-体积变化特性和压力传递性能,可消除封隔器胶筒肩部应力集中现象。以ZSM-5型沸石与甘油所构成的纳米流控系统填充弹性层,通过压力-位移特性测试实验,研究了弹性层的可重复使用性及不同加载速率下系统的压力阈值及最大压力下的有效形变量。结果表明ZSM-5型沸石-甘油配方具有良好的可重复使用性,可以作为肩部防护装置环形弹性层的填料。加载速率在0.01~0.1 mm/s范围内变化时,弹性层压力阈值可稳定在17±2 MPa范围内;不同加载速率下,最大压力下的有效形变量均大于58 mm^3/g,加载速率越大,变形量越大,符合弹性层的性能需求。通过调整纳米多孔介质与功能流体的配方,环形弹性层的性能在很大范围内可调,适用于多种复杂工况。

基于纳米流控系统的封隔器胶筒材料及其温变压变特性

基于纳米流控系统特殊的压力-体积变化特性,提出了一种封隔器胶筒材料。该材料由仿生蜂窝骨架包覆纳米流控系统构成,具有优良的抗剪切性能与压力传递性能,同时具备纳米流控系统的自适应形状调节能力。以MFI型沸石-甘油所组成的纳米流控系统为例,实验分析了所述封隔器胶筒材料的可重复使用性、压力阈值及有效形变量随温度及压力的变化规律。结果表明:所测试系统在经历3次加载/卸载循环后即达吞吐平衡,具有良好的可重复使用性。环境温度增高,系统的压力阈值线性减小,有效形变量线性增大。不同于传统材料的热胀冷缩效应,该材料具有类似"热缩冷涨"的温变特性,可减小封隔器密封失效风险。通过调节纳米流控系统配方,可获得具有良好抗温变、抗压变能力的封隔器胶筒材料。

基于纳米流控系统的超弹套管保护套结构原理与性能试验

针对套管承受非均匀载荷及压力温度变化引起的气窜问题,利用纳米流控能量吸收/转换系统所具有的独特的温变压变特性,提出了在套管外包覆超弹套管保护套的方法,介绍了超弹套管保护套的结构和原理,并通过压力-体积试验和温变试验测试了MFI型沸石-水流控系统的性能。压力-体积试验发现,MFI型沸石-水流控系统中的功能流体(水)随外界压力与温度的变化自发流入或流出纳米多孔介质的孔道,通过体积变化平衡外压或温度的变化,降低套管失效概率与气窜风险。温变试验发现,当温度在30～75℃之间变化时,该套管保护套的压力阈值随温度升高而降低,其形变能力随温度升高而增强,具有优异的温变工作特性。研究表明,套管外包覆合适超弹套管保护套,利用其温度和压力变化下良好的变形协调能力,可有效解决复杂工况下套管外气窜的问题。

孔径尺寸对梯级蓄能纳米流控系统特性的影响研究

纳米流控系统的能量吸收密度远高于传统吸能材料,构建具有梯级蓄能特性的纳米流控系统,可同时实现不同品级能量的吸收,使其应用更广泛.本文采用碳纳米管构建双管不同径及单管变径2种梯级孔道模型,研究了水分子侵入2种不同梯级孔道模型的过程,获得了使纳米流控系统形成梯级蓄能特性的临界孔径差.结果表明,当水分子侵入小孔径的渗透压小于其填满大孔径的渗透压时,纳米流控系统不展现梯级蓄能特性.多级孔道结构的变径方式影响系统各级临界渗透压,继而影响其梯级蓄能特性.单管变径纳米流控系统中,由于水分子在侵入底管的过程中氢键数目减少,顶管临界渗透压低于相应孔径的单级系统临界渗透压.本文研究结果可为构建碳纳米管多级纳米流控系统提供指导,为渗入研究多级纳米流控系统奠定基础.

纳米流控胶筒蜂窝骨架共面压缩吸能特性研究

纳米流控封隔器胶筒由蜂窝骨架包覆纳米流控系统构成,具有超高的吸能效率,可有效吸收射孔弹爆轰引起的压力波动,降低胶筒密封失效风险。为了解橡胶材料蜂窝支撑骨架在共面方向上的承载能力和吸能特性,建立六边形蜂窝骨架的三维模型,利用有限元分析软件,改变橡胶蜂窝骨架胞元壁厚边长比与扩展角,分析橡胶蜂窝骨架在共面压缩作用下的平均平台应力变化规律及能量吸收特性。研究结果表明:平均平台应力随壁厚边长比的增大而增大,随扩展角的增大而减小;共面压缩过程中,橡胶蜂窝骨架经历线弹性、平台区及密实化3个变形阶段;比吸能值随壁厚边长比的增大而增大,密实化阶段前,壁厚边长比越大,能量吸收速率越大,平台区越短;进入密实化阶段后,壁厚边长比越小,能量吸收速率越大,密实化区越短;得到了橡胶蜂窝骨架平均平台应力与胞元参数的关联式;壁厚边长比和扩展角的增大均可增强橡胶蜂窝骨架的能量吸收能力,但过小的壁厚和过大的扩展角都会降低蜂窝结构的稳定性。研究结果为纳米流控封隔器胶筒橡胶蜂窝骨架的设计及应用提供理论与数据支持。

一种新型超弹吸能鞋垫的设计与应用方法

利用纳米流控系统特殊的能量吸收/转换特性,设计了一种新型超弹吸能鞋垫。该超弹吸能鞋垫内填充了蜂窝状骨架,蜂窝状骨架内包覆有由疏水性纳米多孔材料和功能流体组成的纳米流控能量吸收/转换系统。介绍了新型超弹吸能鞋垫的减震机理,当鞋垫受到外界冲击时,随着外界压力对鞋垫的加载和卸载,非浸润性液体进出纳米多孔材料的疏水微孔中,实现能量的存储、释放和消耗,从而使得鞋垫对于人体足部的反冲力减小。新型超弹吸能鞋垫的吸能层能够通过自身体积变化缓冲起跳落下时的冲击力,在提高鞋垫的减震性能及舒适度的同时减小运动人员下肢运动损伤风险。