纳米多孔能量吸收系统的动态力学特性及其在结构耐撞性中的应用

纳米多孔能量吸收系统(NEAS)是基于纳米尺度能量转换机制发展而来的一种新型轻质高效吸能缓冲材料系统，在结构耐撞性领域具有十分重要的应用前景。本项目拟采用软材料SHPB系统对NEAS在强动载荷作用下的动态力学特性进行实验研究，详细考察相对密度、纳米孔隙材料尺寸、应变率效应等因素对该系统动态力学特性和能量吸收能力的影响规律，为该系统的动态力学性能的分析、设计和优化提供理论基础。在此基础上深入探讨NEAS应用于耐撞性防护的可行性，设计一种典型的填充NEAS的单胞圆管能量吸收结构，并采用动静态压溃试验结合数值模拟方法对该结构的能量吸收特性进行研究，探索NEAS与管壁的耦合作用以及冲击速度对其压溃模式和吸能能力的影响规律，从而为这种充液吸能结构的优化设计提供理论指导。本项目针对NEAS材料系统拟开展的研究将有助于促进纳米技术与传统耐撞性研究的跨学科、跨尺度交叉和发展。

纳米多孔能量吸收系统（NEAS）由疏水纳米多孔材料和液体组成，是一种基于纳米尺度下的能量转换原理的具有高效吸能缓冲能力的可压缩流体结构，在耐撞性方面具有重要的应用前景。本项目采用实验的方法研究了多种材料参数和浓度的反向纳米多孔硅胶组成的NEAS系统在轴向压缩载荷下的吸能特性，考察了硅胶材料的比表面积和孔径等孔隙尺寸以及浓度对吸能效率、渗入开始和结束的压力的影响。研究表明：比表面积较小、孔径较大的硅胶有助于提高NEAS系统的能量吸收能力；硅胶浓度增加，能量吸收能力呈现线性增加的趋势。该实验结果为吸能材料的优选提供依据。.为了研究NEAS的能量吸收机理，采用分子动力学方法，对NEAS受刚性板冲击过程进行了模拟，并参数化研究了冲击速度、冲击物质量和纳米材料浓度变化对NEAS能量吸收特性的影响情况。研究结果表明：随着冲击速度和质量的增加，NEAS的能量吸收能力呈现二次曲线关系的提升；冲击速度的影响比质量的影响要更显著，这是因为由于水分子在高速冲击时来不及响应而产生类似“粘性效应”， 提高了NEAS工作载荷，从而提高了能量吸收能力；纳米材料浓度的增加，由于增加了纳米孔隙数目和通道长度，也使NEAS的能量吸收能力得到了提高。.最后，设计了填充NEAS的金属薄壁圆管，并进行了压溃实验。实验结果表明圆管压溃模式发生了变化，由塑性屈曲的吸能模式逐步转变成膨胀变形吸能，能量吸收能力也得到了提高。