一种纳米流体吸能材料及其应用的制作方法

本发明属于缓冲吸能装置领域，涉及一种纳米流体吸能材料及其应用。

背景技术：

1、船舶碰撞事故不仅会威胁人类生命安全，而且也会造成环境污染事故，尤其是油船、液化气船和化学品船，这类船舶所载的货物一旦泄漏可能会造成危害极大的灾难性事故，同时巨大的经济损失也不可避免，因此有必要为船舶提供一种耐撞吸能装置。现有的耐撞吸能装置一般为金属管状结构，这一类耐撞吸能装置主要通过金属的塑形屈曲来吸收能量，具有安装简便、可维护性好等特点，其主要不足有：(1)单位质量的吸能效果差，与航空领域中吸能器有一定差距；(2)吸能可控性较差，不能出现一个较长的有效行程，难以满足不同条件下的抗撞击需要。

2、在过去几年内，薄壁吸能管件内部填充纳米流体的研究获得了广泛关注。纳米流体的基本工作原理为：当外界压力作用下，液体分子可以被推动并克服毛细管排斥力渗入孔中。压强大于某个临界值，称为渗入压强，在这个期间，部分机械能转化为固液界面能进行储存。当外部压力消失时，纳米孔中的液体分子比外部环境中的液体分子具有更高的能量，在势能梯度的作用下，它们倾向于从纳米孔中渗出。无论是渗入还是渗出，液体分子与孔隙之间的摩擦都会耗散能量。因此，纳米流体可以把外界机械能转化为热能和固液界面能，其可视为带有阻尼孔的液压缓冲器。由于纳米多孔材料微粒超高的比表面积，达到了普通液压缓冲器的几十万倍，所以纳米多孔材料-液体系统拥有远超于任何已知材料或结构的吸能潜力。

3、现有的纳米流体主要采用沸石类、硅胶类和碳纳米管等材料，已报道的纳米流体以水为基液，以纳米多孔分子筛zsm-5、zsm-22、沸石、二氧化硅、氧化铝、硅土、活性炭和二氧化钛和碳纳米管的一种或者多种为纳米多孔材料，辅以电解质和增稠剂。这种纳米流体纳米多孔材料添加量大，成本高，且密度大，易沉降，因此需要添加增稠剂来防止沉淀，增稠剂的使用导致纳米流体不易从损坏的金属管内取出，金属管回收难度加大。

技术实现思路

1、为了解决现有纳米流体吸能材料存在的固液质量比大、纳米多孔材料需要增稠剂来防沉降的问题，本发明提供一种纳米流体吸能材料及其应用。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、第一方面，本发明实施例提供一种纳米流体吸能材料，包括重量比为100：2-10的水和疏水型纳米气凝胶；所述疏水型纳米气凝胶粒径为10±2μm，水接触角≥145°，密度为0.1±0.05g/cm3，孔径为10-15nm。

4、结合第一方面，在一种实施方式中，所述疏水型纳米气凝胶的比表面积≥920m2/g。

5、结合第一方面，在一种实施方式中，所述疏水型纳米气凝胶的孔容≥1700mm3/g。

6、结合第一方面，在一种实施方式中，所述纳米流体吸能材料还包括电解质；所述纳米流体吸能材料中，电解质浓度≤5wt％。

7、结合第一方面，在一种实施方式中，所述电解质为氯化钠、硫酸钠、氯化钾中的一种或者多种。

8、第二方面，本发明实施例提供了一种疏水型纳米气凝胶，通过如下方式制备而成：先以酸、水玻璃、去离子水为原料制备出水凝胶；再用醇对水凝胶进行置换，获得醇凝胶；再用六甲基二硅氮烷溶液对醇凝胶进行置换，获得疏水湿凝胶；对疏水湿凝胶进行真空干燥，获得疏水型纳米气凝胶。

9、结合第二方面，在一种实施方式中，所述疏水型纳米气凝胶通过如下方式制备而成：

10、s1：在75℃低速搅拌条件下，按照1：5：27的体积比将冰醋酸、水玻璃、去离子水混合，反应后获得水凝胶；

11、s2：在50℃条件下，将水凝胶浸没在去离子水中进行溶剂置换，每次8-12小时，重复7-8次；然后置于50℃乙醇中进行溶剂置换，每次8-12小时，重复7-8次，得到醇凝胶；

12、s3：在室温条件下，将醇凝胶置于六甲基二硅氮烷的乙醇溶液中改性40-50h；再用乙醇进行溶剂置换，每次8-12小时，重复4-5次，获得疏水湿凝胶；

13、s4：35℃下，对疏水湿凝胶进行真空干燥，获得疏水型纳米气凝胶。

14、第三方面，本发明实施例提供了一种纳米流体吸能材料在飞行器、船舶、汽车领域的应用。

15、第四方面，本发明实施例提供了一种耐撞吸能装置，包括金属薄壁管，所述金属薄壁管内填充有上述纳米流体吸能材料。

16、第五方面，本发明实施例提供了一种船舶，包括上述耐撞吸能装置。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

18、本发明提供的纳米流体吸能材料仅以水为基液、以疏水型纳米气凝胶为能量吸收材料，疏水型纳米气凝胶可浮于基液表面，无需添加增稠剂进行防沉降，因此，金属薄壁管损坏后，纳米流体吸能材料较容易取出，降低了金属薄壁管回收难度；此外，与现有的纳米流体吸能材料相比，相同的单位体积能量吸收密度(ead)或相同的单位质量能量吸收密度下，本发明提供的纳米流体吸能材料固液质量比更低，质量更轻。

技术特征：

1.一种纳米流体吸能材料，其特征在于：包括重量比为100：2-10的水和疏水型纳米气凝胶；所述疏水型纳米气凝胶粒径为10±2μm，水接触角≥145°，密度为0.1±0.05g/cm3，孔径为10-15nm。

2.根据权利要求1所述的纳米流体吸能材料，其特征在于：所述疏水型纳米气凝胶的比表面积≥920m2/g。

3.根据权利要求1所述的纳米流体吸能材料，其特征在于：所述疏水型纳米气凝胶的孔容≥1700mm3/g。

4.根据权利要求1所述的纳米流体吸能材料，其特征在于：所述纳米流体吸能材料还包括电解质；所述纳米流体吸能材料中，电解质浓度≤5wt％。

5.根据权利要求4所述的纳米流体吸能材料，其特征在于：所述电解质为氯化钠、硫酸钠、氯化钾中的一种或者多种。

6.一种疏水型纳米气凝胶，其特征在于：通过如下方式制备而成：先以酸、水玻璃、去离子水为原料制备出水凝胶；再用醇对水凝胶进行置换，获得醇凝胶；再用六甲基二硅氮烷溶液对醇凝胶进行置换，获得疏水湿凝胶；对疏水湿凝胶进行真空干燥，获得疏水型纳米气凝胶。

7.根据权利要求6所述的疏水型纳米气凝胶，其特征在于：其制备方法具体包括：

8.权利要求1-5任一项所述的纳米流体吸能材料在飞行器、船舶、汽车领域的应用。

9.一种耐撞吸能装置，其特征在于：包括金属薄壁管，所述金属薄壁管内填充有权利要求1-5任一项所述的纳米流体吸能材料。

10.一种船舶，其特征在于：包括权利要求9所述的耐撞吸能装置。

技术总结
本发明公开了一种纳米流体吸能材料及其应用，该纳米流体吸能材料包括重量比为100：2‑10的水和疏水型纳米气凝胶；疏水型纳米气凝胶粒径为10±2μm，水接触角≥145°，密度为0.1±0.05g/cm<supgt;3</supgt;，孔径为10‑15nm。相对现有的纳米流体吸能材料，相同的单位体积能量吸收密度或相同的单位质量能量吸收密度下，本发明提供的纳米流体吸能材料固液质量比更低，质量更轻，且无需添加增稠剂，易于从破损的金属薄壁管中取出，使金属薄壁管更容易回收利用。

技术研发人员：张书明,孔夏明,田春平,陈聪,姚露,朱智强,廖永达,吴陈虔,毕雄,包世纪,张奡,陈宇轩,缪一飞
受保护的技术使用者：中国船舶集团有限公司第七一九研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/25