纳米流体高性能防护结构及多功能智能系统研究

Nanoporous materials have very large specific surface area and a large amount of energy can be absorbed by the nanoscale fluid-solid interface. The question is how to efficiency utilize the high energy density of fluid-solid interface to achieve high-performance the protective structure and smart system. The nanofluid which is fabricated by dispersing the nanoporous materials into the liquid has high very efficiency of energy absorption as the liquid molecules are compressed to the hydrophobic nanopore. However the energy absorption capacity of nanofluid is highly depend on the properties of the fluid-solid interface, the structure of the nanoporous materials and the environmental parameters and systematical studying is needed to figure out the influence of these parameters. In this project we will propose a multi-scale simulation framework combining molecular simulation, finite element method and computational fluid dynamics to study the performance of nanofluidic protective structures and smart systems from the molecular level of fluid-solid interface to the macroscopic structure level. At the same time the parallel experiments will study the energy absorption characteristics of nanofluid, the actuation of external field (such as temperature, electric field), the overall performance of nanofluidic protective structures and smart systems. The project aims to achieve high performance nanofluidic protective structures and smart systems, and build the design platform for the applications of energy absorption nanofluid.

由于纳米多孔材料具有非常大的比表面积，分子尺度流-固界面具有非常大的能量密度。如果能有效的利用纳米级流-固界面高能量密度的特点，将实现新一代高性能的防护结构和智能驱动系统。但是对于纳米流体吸能特性的研究，目前还处于起步阶段，分子尺度受限空间流体基本性质，各种材料参数及外界环境对吸能效率的影响还需要系统的研究。纳米流体与宏观多孔结构的组装及其整体性能也需要深入系统的研究。本项目将通过多尺度、多场耦合模拟，结合分子动力学、有限元以及计算流体力学等多种计算方法，从分子尺度出发研究纳米流体的吸能特性，为纳米流体高性能防护结构和智能驱动系统的研制提供理论指导。同时展开相应的实验工作，研究纳米流体的吸能特性、外场（热、电场）对纳米流体吸能特性的调控，宏观防护结构的动静态力学性质，智能驱动系统的响应和控制等。本项目将建立纳米流体防护结构和智能驱动系统的设计平台。

由于纳米多孔材料具有非常大的比表面积，分子尺度流-固界面具有非常大的能量密度。如果能有效的利用纳米级流-固界面高能量密度的特点，将实现新一代高性能的防护结构和智能驱动系统。但是对于纳米流体吸能特性的研究，目前还处于起步阶段，分子尺度受限空间流体基本性质，各种材料参数及外界环境对吸能效率的影响还需要系统的研究。纳米流体与宏观多孔结构的组装及其整体性能也需要深入系统的研究。. 本项目发展和优化了纳米吸能流体和纳米智能流体，通过多学科交叉合作，从不同角度系统地理解纳米微环境下的流体行为以及纳米孔洞表面的物理、化学性质对流体渗透、输运的影响。同时系统研究了不同参数（孔径、分布、孔隙率、表面性质，流体性质、流体组份以及外界环境等）对纳米流体渗透、输运以及反渗透等各方面性质的影响。根据不同应用领域的要求，利用材料工程、表面工程等技术对流—固界面进行改性，优化纳米流体的性质，研究纳米尺度气体、流体、固体界面之间传质与传能规律及其对纳米流体能量吸收和驱动的影响以及多场（力、热、电场）耦合下纳米流体的性质。. 本项目研究和发展了纳米流体在生物、化学、环境、机械工程等多方面的应用，研究了纳米流体与宏观多孔结构的相互作用以及耦合系统的整体性质，同时整合多尺度、多场的模拟方法，为纳米流体防护结构和智能驱动系统的设计提供指导。. 本项目已经发表论文43篇，其中SCI检索论文34篇，完成了预期发表高水平论文10篇以上（均为SCI 检索）。项目课题组获得陕西省创新团队称号，获西安交通大学创新团队称号，项目主要负责人陈曦教授获选2014年中组部国家“千人计划”，2014年获选ASME美国机械工程师协会会士。本项目培养硕士研究生8名，已毕业硕士研究生3名，培养博士研究生8名，博士生出国培养3名，在站博士后3名，已出站博士后1名。主持国际会议分会场会议3场，做大会特邀报告、分组报告等多次。