[發(fā)明專利]基于金屬和高分子材料嵌套封裝的納米多孔材料吸能結(jié)構(gòu)

無效

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• 申請日: 2014-04-08
• 公開（公告）號: CN103883668A
• 公開（公告）日: 2014-06-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳曦
• 申請（專利權(quán)）人: 陳曦
• 主分類號: F16F13/00
• 分類號: F16F13/00
• 代理公司: 西安智大知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 61215
• 代理人: 何會俠

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種吸能結(jié)構(gòu)，具體涉及一種基于金屬和高分子材料嵌套封裝的納米多孔材料吸能結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

迄今為止，大多數(shù)吸能材料為“軟材料”，包括纖維增強高聚物、蜂窩金屬（鋁）/泡沫材料等。這些材料在受到外載荷時，通過“多點作用”的原理（大變形、屈曲、層裂、斷裂、摩擦等），來吸收沖擊所帶來的能量和應(yīng)力波，從而保護(hù)目標(biāo)結(jié)構(gòu)。這些材料在受到線性、低速沖擊時能夠較好地實現(xiàn)吸能效果，然而一旦受到非線性、高速沖擊甚至多次沖擊時，其吸能效果就會大幅度下降，主要原因在于應(yīng)力區(qū)域化和材料響應(yīng)時間太長。

隨著納米科學(xué)研究的深入，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)并證實納米復(fù)合材料可以通過以下三個方面對能量進(jìn)行吸收，從而達(dá)到保護(hù)和防護(hù)沖擊破壞的目的：

（1）屈曲：納米復(fù)合材料由于其微觀結(jié)構(gòu)具有的尺寸為納米級，因此能夠達(dá)到高速沖擊下，微觀結(jié)構(gòu)單元有足夠的時間與空間對應(yīng)力波的前沿進(jìn)行響應(yīng)；于此同時，在傳統(tǒng)材料吸能過程中發(fā)生的局部“軟化現(xiàn)象”所產(chǎn)生的剪切帶中，納米復(fù)合材料的微觀單元能夠產(chǎn)生局部“硬化”，從而保證周圍材料空間的迅速均質(zhì)化，使得材料的緩沖應(yīng)力波的潛能得以發(fā)揮。然而，緩沖應(yīng)力波僅僅能夠應(yīng)付小面積的高速沖撞，而并不足以吸收能量以最終減輕大面積碰撞所帶來的損傷。

（2）斷裂或開裂：納米材料在受到載荷時，在大量吸收能量的情況下，納米纖維與顆粒會和基體剝離，即產(chǎn)生開裂現(xiàn)象。由于開裂現(xiàn)象損耗的能量較多，從而達(dá)到吸能目的。此外，由于納米材料具有的微觀單元比傳統(tǒng)材料高出幾個數(shù)量級。因此很多材料單元參與斷裂，就會消耗大量能。但是納米復(fù)合材料由于復(fù)合相的加入易發(fā)生脆化，而使得絕大部分納米顆粒和基體的界面難以開裂，降低了吸能效率。

（3）材料內(nèi)部摩擦：以納米多孔材料為代表，其孔洞率可達(dá)到30%～90%，材料的表面積大約為300～2000m²/g。內(nèi)部材料顆粒在受到告訴沖擊時會在材料內(nèi)部進(jìn)行運動，此時材料內(nèi)部的大量表面積會發(fā)生摩擦，將動能轉(zhuǎn)化為熱能，達(dá)到能量耗散和吸收的效果。然后在沖擊載荷下，其孔洞會發(fā)生永久屈曲，此后材料將無法抵抗新的沖擊，導(dǎo)致其無法重復(fù)使用。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于金屬和高分子材料嵌套封裝的納米多孔材料吸能結(jié)構(gòu)，通過將能量裝換為固—液兩相間的表面張力和摩擦力以及高分子材料的變形能和金屬外殼的塑性變形能，從而有效的提高了能量的吸收，且結(jié)構(gòu)簡單，同時重量也相對較輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。

為了達(dá)到以上目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

基于金屬和高分子材料嵌套封裝的納米多孔材料吸能結(jié)構(gòu)，包括外殼以及封裝在外殼內(nèi)的納米多孔材料混合液1，所述外殼由一層或多層金屬外殼2以及設(shè)置在金屬外殼2內(nèi)壁周圈的一層或多層高分子材料內(nèi)殼3組成，或者所述外殼由一層或多層高分子材料外殼4以及設(shè)置在高分子材料外殼4內(nèi)壁周圈的一層或多層金屬內(nèi)殼5組成；所述納米多孔材料混合液1為納米多孔材料和非浸潤液體進(jìn)行混合而成，所述納米多孔材料和非浸潤液體的最大質(zhì)量比為3:1；所述納米多孔材料為沸石、多孔硅土、納米多孔金屬、納米多孔金屬氧化物、碳納米管、活性炭或納米多孔高分子材料。

所述沸石為ZSM-5沸石、Beta沸石或絲光沸石。

所述納米多孔高分子材料為納米纖維素、納米級凱夫拉纖維、納米級多孔橡膠、納米級改性橡膠、納米級天然塑料或納米級合成塑料。

所述納米多孔金屬為納米多孔銅、納米多孔鎳、納米多孔鋁、納米多孔金、納米多孔銀、納米多孔鉑、納米多孔鐵或納米多孔鈦。

所述納米多孔金屬氧化物為多孔氧化鐵納米球、多孔氧化鎂納米顆粒、多孔氧化鋁納米球、多孔氧化銅納米球、多孔氧化鈣納米顆粒、多孔氧化銀納米顆粒或多孔氧化鋅納米球。

所述非浸潤液體為水、無機鹽溶液、有機溶液、油基溶液、液體金屬或膠體。

所述油基溶液為烷基油溶液、烴基油溶液或煤基油溶液。

所述膠體為氫氧化鋁膠體、硅酸膠體或淀粉膠體。

所述無機鹽溶液為氯化鈉溶液、氯化鉀溶液、氯化鎂溶液、碳酸鈉溶液或氫氧化鈣溶液。

所述有機溶液為苯基溶液、酮基溶液、醇基溶液或羧基溶液。

所述液體金屬為水銀、液態(tài)鉛或液態(tài)鋁。

所述金屬外殼2和金屬內(nèi)殼5的材料均為普通碳鋼、鋁合金、鎂合金或不銹鋼。

所述高分子材料內(nèi)殼3和高分子材料外殼4的材料均為橡膠、改性橡膠、天然塑料或合成塑料。