车用纳米多孔材料液体系统的能量耗散机理研究

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1、车用纳米多孔材料液体系统的能量耗散机理研究（申请清华大学工学博士学位论文）培养单位：汽车工程系学科：机械工程研究生：孙岳霆指导教师：李一兵教授二○一五年六月EnergyDissipationMechanismofAutomotiveNanoporousMaterialLiquidSystemDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinMechanicalEngineeringbySunYuetingD

2、issertationSupervisor:ProfessorLiYibingJune,2015摘要摘要研发新型、智能、高效的能量耗散材料与结构是车辆被动安全领域的重要课题。本文所研究的纳米多孔材料液体系统基于全新的能量耗散形式，将憎水的纳米多孔材料与液体混合，通过液体在外压下渗入纳米孔道的固液作用过程消耗外界机械能，在车辆碰撞等领域具有广泛的应用前景，然而其物理机理及工程应用均尚未得到充分研究。本文对纳米多孔材料液体系统的能量耗散机理进行了系统的实验研究，阐明了水分子在分子尺度孔道内的渗入渗出行为及其影响机制，并研究了以纳米多孔材料液体系统为填充物的薄壁管件结构的轴向压溃力

3、学特性。基于不同种类的纳米多孔材料，对水分子在外压下渗入分子尺度孔道的行为进行了系统的实验研究。通过采用孔道前处理、电解质调节与多孔径材料进行参数化研究，揭示了固液性质与孔径对渗入压强的影响。在此基础上，借鉴宏观尺度的Young–Laplace方程提出等效接触角的概念，并证实了其能够定量描述分子尺度的固液相对作用。利用落锤实验的方法对纳米多孔材料液体系统的动态力学特性进行了研究，验证了渗入机制在动态下的有效性及率相关性。着眼于固液气三者的耦合作用，对水分子在外压撤除时渗出分子尺度孔道的行为进行了系统的实验研究。通过对渗出行为率相关性的观测，揭示了分子尺度孔道内气体分子对水分子

4、渗出行为的影响及其失效机制。通过引入硅醇基团及添加电解质的方法分别对孔道性质及液体性质进行了调节，阐述了其对水分子渗出行为的影响。对应的渗出调节方法可有效提升纳米多孔材料液体系统的可重复使用性及吸能密度。利用实验及有限元模拟的方法，对纳米多孔材料液体系统填充管件的轴向压溃力学特性进行了系统的研究。通过准静态力学实验、落锤冲击实验以及霍普金森压杆冲击实验研究了填充管件在不同应变率下的力学特性，并对其能量吸收机理及失效形式进行了分析。建立了纳米多孔材料液体系统填充管件的有限元模型并进行了实验验证，通过对材料与结构的参数化研究揭示了纳米多孔材料液体系统与管壁的耦合作用机理。基于压溃

5、力效率与吸能密度总结了纳米多孔材料液体系统填充管件的设计规律，为纳米多孔材料液体系统的工程应用及车用新型吸能部件的开发提供了参考。关键词：防护材料；能量耗散；纳米多孔材料；薄壁管件IAbstractAbstractDevelopmentofnewintelligentmaterialswithhighenergydissipationdensityisanimportantissueforvehiclecrashsafety.Ananoporousmaterialliquidsystem(NMLS)isestablishedandinvestigatedhere,whichi

6、scomposedofhydrophobicnanoporousmaterialsandliquid.Thepressureinducedinfiltrationofliquidintonanoporeswithultra-largesurfaceareaenablesNMLStobeahighly-efficientenergydissipationsystem,withwideperspectiveapplicationssuchasimpactabsorbersforvehicles.However,itsphysicalmechanismandengineeringa

7、pplicationhavenotbeenfullystudied.Inthisresearch,theenergydissipationmechanismofNMLSisexperimentallyinvestigated,withemphasisontheliquidinfiltrationanddefiltrationbehaviorinmolecular-sizednanopores.Thecrushingofthin-walledtubestructuresfilledwithNMLSisal