[发明专利]基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种吸能结构，具体涉及一种基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构。

背景技术

迄今为止，大多数吸能材料为“软材料”，包括纤维增强高聚物、蜂窝金属（铝）/泡沫材料等。这些材料在受到外载荷时，通过“多点作用”的原理（大变形、屈曲、层裂、断裂、摩擦等），来吸收冲击所带来的能量和应力波，从而保护目标结构。这些材料在受到线性、低速冲击时能够较好地实现吸能效果，然而一旦受到非线性、高速冲击甚至多次冲击时，其吸能效果就会大幅度下降，主要原因在于应力区域化和材料响应时间太长。

随着纳米科学研究的深入，国内外相关学者已经发现并证实纳米复合材料可以通过以下三个方面对能量进行吸收，从而达到保护和防护冲击破坏的目的：

（1）屈曲：纳米复合材料由于其微观结构具有的尺寸为纳米级，因此能够达到高速冲击下，微观结构单元有足够的时间与空间对应力波的前沿进行响应；于此同时，在传统材料吸能过程中发生的局部“软化现象”所产生的剪切带中，纳米复合材料的微观单元能够产生局部“硬化”，从而保证周围材料空间的迅速均质化，使得材料的缓冲应力波的潜能得以发挥。然而，缓冲应力波仅仅能够应付小面积的高速冲撞，而并不足以吸收能量以最终减轻大面积碰撞所带来的损伤。

（2）断裂或开裂：纳米材料在受到载荷时，在大量吸收能量的情况下，纳米纤维与颗粒会和基体剥离，即产生开裂现象。由于开裂现象损耗的能量较多，从而达到吸能目的。此外，由于纳米材料具有的微观单元比传统材料高出几个数量级。因此很多材料单元参与断裂，就会消耗大量能。但是纳米复合材料由于复合相的加入易发生脆化，而使得绝大部分纳米颗粒和基体的界面难以开裂，降低了吸能效率。

（3）材料内部摩擦：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。内部材料颗粒在受到告诉冲击时会在材料内部进行运动，此时材料内部的大量表面积会发生摩擦，将动能转化为热能，达到能量耗散和吸收的效果。然后在冲击载荷下，其孔洞会发生永久屈曲，此后材料将无法抵抗新的冲击，导致其无法重复使用。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，通过将能量装换为固—液两相间的表面张力和摩擦力以及高分子材料的变形能和金属外壳的塑性变形能，从而有效的提高了能量的吸收，且结构简单，同时重量也相对较轻，便于大规模生产和应用。

为了达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

基于金属和高分子材料嵌套封装的纳米多孔材料吸能结构，包括外壳以及封装在外壳内的纳米多孔材料混合液1，所述外壳由一层或多层金属外壳2以及设置在金属外壳2内壁周圈的一层或多层高分子材料内壳3组成，或者所述外壳由一层或多层高分子材料外壳4以及设置在高分子材料外壳4内壁周圈的一层或多层金属内壳5组成；所述纳米多孔材料混合液1为纳米多孔材料和非浸润液体进行混合而成，所述纳米多孔材料和非浸润液体的最大质量比为3:1；所述纳米多孔材料为沸石、多孔硅土、纳米多孔金属、纳米多孔金属氧化物、碳纳米管、活性炭或纳米多孔高分子材料。

所述沸石为ZSM-5沸石、Beta沸石或丝光沸石。

所述纳米多孔高分子材料为纳米纤维素、纳米级凯夫拉纤维、纳米级多孔橡胶、纳米级改性橡胶、纳米级天然塑料或纳米级合成塑料。

所述纳米多孔金属为纳米多孔铜、纳米多孔镍、纳米多孔铝、纳米多孔金、纳米多孔银、纳米多孔铂、纳米多孔铁或纳米多孔钛。

所述纳米多孔金属氧化物为多孔氧化铁纳米球、多孔氧化镁纳米颗粒、多孔氧化铝纳米球、多孔氧化铜纳米球、多孔氧化钙纳米颗粒、多孔氧化银纳米颗粒或多孔氧化锌纳米球。

所述非浸润液体为水、无机盐溶液、有机溶液、油基溶液、液体金属或胶体。

所述油基溶液为烷基油溶液、烃基油溶液或煤基油溶液。

所述胶体为氢氧化铝胶体、硅酸胶体或淀粉胶体。

所述无机盐溶液为氯化钠溶液、氯化钾溶液、氯化镁溶液、碳酸钠溶液或氢氧化钙溶液。

所述有机溶液为苯基溶液、酮基溶液、醇基溶液或羧基溶液。

所述液体金属为水银、液态铅或液态铝。

所述金属外壳2和金属内壳5的材料均为普通碳钢、铝合金、镁合金或不锈钢。

所述高分子材料内壳3和高分子材料外壳4的材料均为橡胶、改性橡胶、天然塑料或合成塑料。