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液体渗透纳米多孔介质能量吸收/转换系统(LNEAS)是一种新型、高效的能量吸收/转换系统。液体在外部载荷作用下侵入/流出纳米孔时,可通过流体分子与孔壁表面之间的剪切力将外部载荷/冲击耗散。若借助于纳米多孔材料巨大的比表面积,系统的能量吸收密度将得到很大提升。因此,LNEAS近年来在科学研究和工业应用方面引起了研究者们的广泛兴趣。
沸石由于其巨大的比表面积、特殊的孔径分布及较好的水热稳定性成为组成LNEAS系统的理想固体多孔材料。本文选择ZSM-5型沸石为基础的固体多孔材料,系统全面的研究了不同改性条件下的ZSM-5型沸石与不同液体所组成的LNEAS在不同的外加力场干预下的系统性能,期望对该种材料所组成LNEAS的应用拓展提供基础数据。
使用真空管式炉,选用三种简单经济的改性方案(空气中加热改性,真空中加热改性,水热改性),研究了改性气氛、烧制温度以及恒温时间对样品表面及结构特性参数的影响规律,找到了最优的改性处理条件。为了研究LNEAS的能量转换特性,在经过特别设计的压力-位移实时监测的实验台上进行了一系列的实验研究,并通过测定系统的压力-位移变化特性获取了LNEAS各项性能参数。最后,使用分子动力学模拟,通过与实验结果的比对,建立了精确的数值模型,对LNEAS能量耗散的微观过程及机理进行了探讨。
研究结果表明:LNEAS所能耗散的机械能与流体在纳米孔内传输过程中所遇到的剪切阻力密切相关。而剪切阻力为一系列系统参数的函数,包括:多孔材料表面及结构特性、液体种类、液体中所含离子的种类和浓度、外部载荷加载速率、环境温度、外加电场等。这些参数可以从根本上影响流体分子/离子间的结合方式及它们与多孔材料固壁之间的相互作用力和作用方式,从而改变液固相分子在交界面及后续过程的作用和LNEAS的系统性能。
由实验结果可知,不同气氛下ZSM-5型沸石改性的临界温度均为1000 ℃;在小于1000 ℃的温度范围内,恒温烧制温度越高,达到最大比表面积所需的烧制时间越短;而水热气氛下改性的样品具有最为均一的表面能量特性。对应改性得到的多级孔道结构的沸石材料,其LNEAS表现出多级能量吸收的特性,配合不同的液体,LNEAS将有丰富多变的性能表现,开拓了该种材料在同一系统中实现多级能量吸收方向的应用前景。离子的加入和浓度的提高、加载速率的增大、环境温度的提升、外加电场的引入都将改变系统的浸润性,也可有效的提高LNEAS可重复使用性。多孔材料孔道中的残留气体对液体的出孔过程有着非常重要的影响。选择合适的液固相,配合外界环境温度及外加电场的控制,可以获得高效可用、实时连续可调的LNEAS,实现能量的吸收、提取和转换。
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Basic Info :
Degree: 工学博士
Mentor: 周屈兰
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Year: 2015
Language: Chinese
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