一种缓冲吸能的纳米流体的制备方法技术

一种利用纳米流体进行缓冲吸能的方法，基于纳米约束流体特有的“表面效应”和“水锤效应”，对弱疏水性纳米多孔材料进行高温干燥、冷却清洗以及表面改性，然后将其与水基溶液混合配制，将混合后的纳米流体置于目标结构中，当该目标结构受到外力作用时，将对外界能量进行吸收从而起到安全防护的作用；该纳米流体可以重复使用，其吸能特性具有长期持续性，极大地节约了成本，适合大规模应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种进行缓冲吸能的方法，具体涉及。
技术介绍
传统的能量吸收材料主要有复合材料，多孔金属，泡沫材料，形状记忆合金和凯夫拉纤维等。其中高聚物泡沫材料的密度仅为0.03?0.3g/cm3，但其吸能密度只有0.1?2J/g ;而金属泡沫材料和多孔编织复合材料的吸能密度虽然可达到10J/g甚至更高，但其仍然无法满足对安全防护的需要。同时这些传统的吸能材料通过大变形、屈曲、断裂、摩擦等原理来吸收能量，其破坏的过程往往是不可恢复的，因此具有很大的局限性，并且无法多次重复使用，需要经常更换导致使用成本增大。随着纳米科学的发展，科学家们试图利用纳米复合材料来进行安全防护。纳米复合材料主要通过屈曲、断裂或开裂以及材料内部的摩擦来吸收能量，从而达到保护目标结构的目的。然而纳米复合材料由于复合相的加入，容易发生脆化，使得缓冲效果大大降低。同时，纳米复合材料的孔洞将发生永久屈曲，导致其无法承受多次冲击。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供，基于纳米约束流体特有的“表面效应”和“水锤效应”，对弱疏水性纳米多孔材料的进行高温干燥、冷却清洗以及表面改性，然后将其与水基溶液混合配制，将混合后的纳米流体置于目标结构中，当该目标结构受到外力作用时，将对外界能量进行吸收从而起到安全防护的作用；该纳米流体可以重复使用，其吸能特性具有长期持续性，极大地节约了成本，适合大规模应用。为了达到以上目的，本专利技术采用如下技术方案:，包括如下步骤:步骤1:利用高温管式炉对弱疏水性的纳米多孔材料进行高温干燥处理，温度控制在600 °C?1300 °C，恒温至少3小时；步骤2:待纳米多孔材料冷却后，利用氯化钠溶液对其表面进行清洗；步骤3:在500°C?600°C温度下，利用渗碳、渗氮或碳氮共渗的方法对清洗后的纳米多孔材料进行表面改性；步骤4:将改性后的纳米多孔材料和水基溶液混合，纳米多孔材料和水基溶液的质量比为1:6?1:1，即得到所需要的纳米流体；步骤3:根据实际使用情况，对纳米流体进行封装，其最终封装的形状不受限制，封装后的纳米流体即能够进行使用。所述纳米多孔材料为沸石、多孔硅土、碳纳米管或活性炭。所述水基溶液为水、无机盐溶液、酒精溶液或有机溶液。和现有技术相比，本专利技术具有以下优点:(I)通过对纳米多孔材料进行高温处理，将最大限度的提高和发挥纳米多孔材料的吸能效果。(2)利用氯化钠溶液对纳米多孔材料进行清洗，可以有效地将高温干燥后附着在材料表面的杂志清洗干净。(2)改性后的纳米多孔材料和水基溶液配制后，将有效解决纳米多孔材料的沉淀问题，使纳米多孔材料分散到水基溶液中去。(3)该纳米流体可以重复利用，其吸能特性具有长期持续性，不需要经常更换材料。(4)由于该方法使用纳米流体作为工作介质，可内嵌设计在结构框架内，其最终封装的形状是不受限制的，因此可根据设备、机构的具体要求进行设计，具有很大的灵活性。(5)纳米多孔材料和水基溶液的成本相对较低，且配制成纳米流体时操作简单易行，适合大规模推广使用。【附图说明】图1是利用纳米流体“表面效应”吸收能量的不意图。图2是纳米流体“水锤效应”的示意图。图3是纳米流体在微桁架结构中使用的示意图。图4是纳米流体在不同速率下的应力一应变曲线图。图5是纳米流体和氯化钠溶液在受到冲击情况下的应力一时间曲线比较图。图6是纳米流体和氯化钠溶液在受到冲击情况下的应变一时间曲线比较图。【具体实施方式】下面首先对本专利技术的原理和工作过程做如下说明: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。纳米流体一般由弱疏水性的纳米多孔材料和水基溶液混合而成，在纳米尺度下纳米流体的固一液两相间的界面能非常显著，当液体进如纳米孔道时，需要克服固一液界面间的张力，通过将外界机械能转换为固一液界面能来达到吸收能量的目的。该过程主要利用了纳米约束流体特有的“表面效应”和“水锤效应”。图1所示为利用纳米流体“表面效应”进行能量吸收的示意图，给纳米流体施加一定的外界压力，当压力值超过某一临界值，液体分子将克服固一液界面间的毛细阻力，渗透进入纳米孔道中。由于纳米多孔材料的孔壁基本不发生变形，因此由机械能转换而成的固一液界面能将作为液体分子的内能被很好的保存捕捉下来。当卸载时，进入纳米孔道的液体分子将自动流出，其捕捉的内能也将得以释放。图1中曲线围成的面积部分即为纳米材料在一次加卸载循环下吸收的能量。图2所示为纳米流体“水锤效应”的示意图，即无序的液体分子在冲击波作用下，将进入弱疏水性的纳米孔道中，被迫呈准一维排列。并且由于纳米孔壁仅为一个原子厚度，应力波将无法在孔壁厚度方向传播，被迫以一维方向传播。这两个效应叠加，使得应力波幅值将大幅度降低，同时将延长应力波作用时间，使纳米流体得以充分吸收冲击过程中产生的巨大能量。考虑到冲击应力引起渗透的响应时间在纳秒左右(十亿分之一秒)，使得纳米流体在高速冲击情况下，也能做出及时的反应，充分吸收应力波。利用纳米流体的“表面效应”和“水锤效应”进行能量吸收，其整个过程捕捉吸收的能量为E = PwVp，其中Pw为外界应力，V p为纳米孔道的体积(一般情况下为纳米材料总体积的40?80% )。需要指出的是，液体分子进入纳米孔道的临界压力Pi只与纳米流体本身的材料有关，因此选择合适的溶质纳米多孔材料和溶剂液体，将对纳米流体的起始工作压力Pi起到决定作用，对其整个过程的吸能效果也将产生重要影响。下面结合附图和【具体实施方式】，对本专利技术做进一步详细说明。首先，将纳米多孔硅土置于1000°C的管式炉中进行6小时的高温处理，然后用浓度为0.5mol/L的氯化钠溶液对高温处理后的纳米多孔硅土进行表面清洗，接着在530°C?550°C对清洗后的纳米多孔硅土通过渗氮方法进行表面改性，然后将改性后的纳米硅土与lmol/L的氯化钠溶液按照质量比1:3进行混合配制成纳米流体，最后将纳米流体封装进空心微桁架中，如图3所示为纳米流体在微桁架结构中使用的示意图。对微桁架进行准静态测试得到如图4所示的在不同速率下的应力一应变曲线。从图中可以看出，纳米流体在压缩过程中存在一个平台，在不同速率下，其对应的应力平台值也达到1MPa?20MPa。同时其应力平台段的应变可以达到0.7甚至更高，可见纳米流体具备优异的吸能特性。比较纳米流体在不同加载速率下的吸能情况，当速率越高，其吸能平台也越高，这主要是由于液体分子的摩擦力变大造成的，有更多的外界机械能被转换为液体分子的热能，也在一定程度上提高了吸收能量的效率。图5所示为纳米流体和氯化钠溶液在受到冲击情况下的应力一时间曲线图。从图中可以看出，冲击波通过氯化钠溶液后其输出冲击应力和输入冲击应力基本一样，而冲击波通过纳米流体后其输出冲击应力仅为输入冲击应力的20%?25%，表面利用纳米流体可以极大地降低应力波幅值，对应力波进行吸收。图6所示为纳米流体和氯化钠溶液在受到冲击情况下的应变一时间曲线图。从图中可以看出，纳米流体系统的响应时间极快，其应变的幅值仅为氯化钠溶液的50 %，表面纳米流体系统可以延长应力波的作用时间，使应力波得到充分的吸收。并且比较纳米流体第一、二次的应变一时间曲线可以发现，两条曲线基本重合，表明该纳米流本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种缓冲吸能的纳米流体的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1：利用高温管式炉对弱疏水性的纳米多孔材料进行高温干燥处理，温度控制在600℃～1300℃，恒温至少3小时；步骤2：待纳米多孔材料冷却后，利用氯化钠溶液对其表面进行清洗；步骤3：在500℃～600℃温度下，利用渗碳、渗氮或碳氮共渗的方法对清洗后的纳米多孔材料进行表面改性；步骤4：将改性后的纳米多孔材料和水基溶液混合，纳米多孔材料和水基溶液的质量比为1：6～1:1，即得到所需要的纳米流体；步骤3：根据实际使用情况，对纳米流体进行封装，其最终封装的形状不受限制，封装后的纳米流体即能够进行使用。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈曦，邓晓彬，周迦律，闫渊，
申请(专利权)人：陈曦，
类型：发明
国别省市：陕西;61