SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：纳米流控系统的能量吸收密度远高于传统吸能材料，可用于机械结构部件的吸能减震，具有很大的应用前景。纳米流控系统是由纳米多孔介质与非浸润性功能流体封装而成，与传统吸能材料相比，具有极其优良的吸能减震效果，具有体积小、能量吸收密度高、可重复使用等优势，工作原理为机械能向固液界面能的转换和吸收或耗散。从纳米流控系统的工作原理出发，给出了纳米流控系统的研究现状。详细阐述了内部因素如纳米多孔介质种类、功能流体种类等对纳米流控系统吸能特性的影响规律，外部因素如系统环境温度、加载速率以及外加电场等对纳米流控系统吸能特性的影响规律，探讨了进一步研究的方向与思路，展望了纳米流控系统的未来发展方向与应用前景。
关键词：纳米流控系统；纳米多孔介质；功能流体；系统温度；加载速率；外加电场
Research Status of Energy Absorption and Shock Absorption Nanofluidic System
Xiao Hongjiu，Ming Shiwei
(Mechnical Engineering College,Xi′an Shiyou University,Xi′an 710065,China)
Abstract:The energy absorption density of nanofluidic system is much higher than that of traditional energy absorbing materials,so it can be used for energy absorption and shock absorption of mechanical structure parts,and has a great application prospect.Nanofluidic system is encapsulated by nanoporous medium and non-invasive functional fluid.Compared with traditional energy-absorbing materials,it has excellent energy absorption and shock absorption effect,and has the advantages of small volume,high energy absorption density,and reusable.The working principle is the conversion and absorption or dissipation of mechanical energy to solid-liquid interface energy.Based on the working principle of nanofluidic system,the research status of nanofluidic system was analyzed.The influence law of internal factors such as the type of nanoporous medium and the type of functional fluid on the energy absorption characteristics of the nanocrystal system was elaborated,and the influence law of external factors such as the system ambient temperature,loading rate and applied electric field on the energy absorption characteristics of the nanocrystal system was elaborated,and the direction and ideas of further research were discussed.The future development direction and application prospect of nanofluidic system were analyzed and prospected.
Key words:nanofluidic systems;nanoporous media;functional fluids;system temperature;loading rate;applied electric field
0引言
吸能减震零部件是机械结构保证安全稳定持续工作中极其重要的一部分，为保证其稳定工作，需要选用可靠的吸能减震材料。纳米流控系统是由纳米多孔介质与非浸润性功能流体封装而成，与传统吸能材料相比，具有极其优良的吸能减震效果，同时具有体积小、能量吸收密度高等优势。传统吸能材料主要依靠自身的塑性变形以及断裂来实现，能量吸收密度偏低，如泡沫铝的能量吸收密度只有0.7 J/cm3[1]。纳米流控系统得益于纳米多孔介质材料的超高比表面积，具有极高的能量吸收密度，如实验中基于沸石Zeoliteβ和去离子水制成的纳米流控系统的能量吸收密度高达17.8 J/cm3[2]，数值模拟中基于单壁碳纳米管和水分子制成的纳米流控系统的能量吸收密度高达300~1 300 J/cm3[3]。纳米流控系统可以重复吸能，可以实现多次利用[4]。纳米流控系统能量吸收效率与阈值受多因素的影响，可以通过调整纳米流控系统内部及外部因素达到系统吸能自控，应用空间极大。
早在20世纪90年代，有学者开始对液体渗透进入纳米多孔材料的过程进行研究，这是纳米流控系统的雏形[5]。后续研究学者对纳米流控系统的纳米多孔介质、功能流体、加载速率、系统温度等影响因素对纳米流控系统吸能减震特性进行了试验研究与数值模拟分析，着力研究纳米流控系统作为能量转换吸收耗散部件的应用优势。
本文介绍了纳米流控系统的研究概况，论述和分析了系统内部因素与外部因素对纳米流控系统的影响机理，探讨了进一步的研究方向与思路，并对纳米流控系统的研究方向和应用前景进行分析与展望。
1工作原理
纳米流控系统作为新一代能量吸收耗散部件，其工作过程示意图如图1所示。非浸润性功能流体与纳米多孔介质封装在密封容器内环境中，由于功能流体的非浸润性，在常温常压下液体分子与纳米多孔介质之间存在能量壁垒，功能流体不会自主侵入纳米孔道内。当外部施加的载荷大到一定程度，液体分子才能在外力作用下克服液固相界面之间的能量壁垒，侵入纳米孔道内。液体分子侵入纳米孔道内的过程主要分为3个阶段：液体的压缩阶段、液体进入纳米孔道的渗透阶段与进孔后的液体压缩阶段。能量吸收主要存在于第二阶段，在液体进入纳米孔道的渗透阶段中，机械能向固液界面能的转换和吸收或耗散。
液体进孔压力来源于纳米孔入口处的能量壁垒，该渗透进孔的压力可以用来衡量侵入纳米孔难易程度，是描述纳米流控系统渗透过程重要指标之一。图2为纳米流控系统压缩过程中对应的压力-体积特性变化曲线，其中实线代表渗透阶段，虚线代表渗出阶段。从图中可以看出，压力随体积变化过程中出现一个进孔压力平台区，表明液体体积变化但是系统压强并未出现升高，平台区代表着纳米流控系统的渗透阶段，即能量吸收耗散阶段。
2内部因素影响
纳米流控系统是由纳米多孔介质与非浸润性功能流体封装而成，从纳米流控系统自身组成可以看出，纳米流控系统的吸能减震特性受到自身因素如纳米多孔介质种类、功能性流体种类等因素有关，许多研究学者针对于此进行探索分析，本节从纳米流控系统自身内部因素进行分析讨论。
2.1纳米孔道种类
纳米流控系统中的纳米孔道并非均匀分布，存在变孔径孔道，孔道的种类会影响纳米流控系统的吸能减震特性。实际情况中，由于实验采用的纳米多孔介质中孔道大小存在分散性，增加了孔径类型对纳米流控系统吸能特性的影响，因此研究学者采用分子动力学数值模拟分析孔径对纳米流控系统的影响。
由于碳纳米管具有光滑的表面、均匀的尺寸以及电中性[6]，水具有简单的几何结构和化学成分[7]，在分子动力学数值模拟过程中常采用碳纳米管模型代表纳米多孔介质孔道，用水分子代表功能流体，建立纳米流控系统模型，模型如图3所示。针对光滑碳纳米管构建的纳米流控系统的研究中，文献[8]研究了压力驱动下碳纳米管的水渗透行为，验证并分析水分子可以通过外部冲击载荷从外部渗透到碳纳米管中。文献[9]发现在高速冲击载荷下纳米流控系统的吸能密度随管径的增大而减小。文献[10]分析了不同碳纳米管直径对水池密度和速度的影响，发现不同直径碳纳米管的管内速度分布结果相同，管壁对水流的影响较小，随着管径的增大，水分子速度分布的峰值逐渐接近管壁。文献[11]分析了碳纳米管手性载体对纳米流控系统的影响，增加m和n可以降低临界渗透压，改变碳纳米管的类型，从手性碳纳米管到锯齿形碳纳米管再到扶手碳纳米管，吸收能量密度和效率也会降低。
实际上纳米多孔介质内部通道类型变化多样，并非均一。纳米通道的形状、表面粗糙度对纳米流控系统吸能耗散行为都由影响，因此基于异型碳纳米管构建的纳米流控系统受到研究学者的关注。
图4(a)是一种基于异质结碳纳米管构建的纳米流控系统模型，文献[12]研究发现当储层体积一定时，系统的能量缓解高度依赖于异质结碳纳米管的几何尺寸和冲击能量，第一段渗透管段的长度是影响结果的主要参数。通过对该系统的精细调整，可以实现更高的效率和更高的能力，防止各种冲击加载情况。这在一定程度上拓宽了纳米流控系统的应用。
图4(b)是基于两段不同孔径搭接起来的变径碳纳米管构建纳米流控系统模型，与常规纳米流控系统所用功能流体不同，文献[13]将甲烷气体替换功能流体，研究结果表明，在瓶状单壁碳纳米管中，结降低了水通过纳米管的流畅程度，碳纳米管直径越小越明显。相比之下，对于具有更多结的阶梯状单壁碳纳米管，结会成为加速甲烷分子扩散的驱动力。
文献[14]采用图4(c)模型，直接将纳米流控系统中碳纳米管更换成碳纳米锥，对水渗入碳纳米锥的基本行为进行研究。研究结果有助于理解和预测纳米流体渗透到具有更一般截面的纳米孔中，并有助于设计具有疏水-亲水(或润湿-非润湿)过渡能力的纳米结构表面。
文献[15]的模型采用的是粗糙碳纳米管，如图4(d)所示，研究了粗糙度对粗糙纳米孔内水分子输运阻力的影响，研究发现相对粗糙度越大，输运阻力越大。此外，纳米孔越小，效应壁粗糙度越明显，同时可以通过调节纳米孔壁粗糙度为纳米流控器件提供多种有前景的应用。
用于研究的纳米多孔材料种类很多，包括硅胶、β型沸石、菱沸石、MCM-41沸石、二氧化硅等，可以揭示流体渗透体积与渗透压之间的关系。研究发现由MCM-41硅胶材料组成的纳米流控系统呈现预期的稳定性，通过几次不断循环加载，得到的系统的渗透/解吸结果是可重复的[16]。由水与MFI型沸石组成的纳米流控系统的临界渗透压大约为100 MPa，即在外界压强大约为100 MPa时水开始渗透进入沸石孔道中[17]。
2.2功能流体种类
不同种类功能流体的非浸润程度也是不同的，由此封装而成的纳米流控系统能量吸收特性不同，此外功能流体中带有不同离子和多种功能流体混合配比也会对纳米流控系统造成影响，因此功能流体的种类也是对纳米流控系统吸能特性影响的一个重要因素。
常规纳米流控系统的功能流体种类为去离子水，在水中加入乙醇溶液可以降低纳米流控系统中纳米孔的临界渗透压[18]，加入氯化钠溶液可以提高其临界渗透压[1]，同时可以促进渗入液体在卸载后渗出纳米孔，让纳米流控系统实现多次吸能使用功能[19]。在系统中加入NaCl、KCl等电解质溶液，会提高系统中纳米孔的临界渗透压，且加入KCl比NaCl的效果更加明显[20]。
将磁流变液作为功能流体制成的纳米流控系统具有不同的压缩行为和能量吸收特性。由磁流变液制成的纳米流控系统的能量耗散机制主要有骨架变形、粘滞流动和磁流变效应3种。在没有磁场的情况下，有磁流变液的纳米流控系统的准静态压缩行为与没有磁流变液的压缩行为无显著差异，而在磁场的作用下，材料的能量吸收显著提高。另一方面，在冲击载荷作用下，不含磁流变液的材料几乎没有应变速率效应。充入磁流变液后，其应变速率效应非常显著[21]。
溶液的浓度对纳米流控系统的吸能耗散行为有所影响。在试验中发现基于纳米多孔硅胶颗粒和甘油溶液制成的纳米流控系统中纳米孔的临界渗透压将随着甘油溶液浓度的上升而下降，这意味着系统能量吸收阈值随着甘油浓度上升而下降[22]。后续有研究学者在分子动力学数值模拟中给出更加具体影响规律，随着甘油浓度的增加，纳米流控系统的能量吸收密度显著增加，当液体从水变为纯甘油时，系统的能量吸收密度最多可以提高3倍[4]。在纳米流控系统中引入甘油溶液不仅可以提高系统的能量吸收密度，还可以调节系统的渗透压力，这与系统的保护范围有关。此外，甘油溶液的凝固点比水低得多，可以在低温条件下使用系统。
3外部因素影响
纳米流控系统吸能减震特性与外界加载速率、系统工作环境温度与附加电场等外界因素有关，本节讨论外界因素对纳米流控系统关键系统参数的影响。
3.1加载速率影响
外部载荷加载速率的变化极大程度上影响着液体在纳米孔道入口处的渗透压及其在孔道内的输运行为。纳米流控系统重要的应用之一便是用于防护冲击载荷，因此相关的动态压缩影响研究结果对实际应用具有重要的指导意义。
与静态加载不同，冲击载荷作用下会引发机械波，在冲击载荷引发的机械波与纳米流控系统的相互作用下，纳米流控系统工作机理为：在加载阶段，冲击功转化为储存在纳米孔内部的固液界面能；在卸荷阶段，界面能通过固液相互作用缓慢释放并以热量的形式耗散[23]。纳米流控系统的吸能密度随冲击加载速率的增大而略有增大[9]，然而通过Hopkinson杆实验发现随着加载速率的增加，吸能效率显著提高，这主要是由于内摩擦的影响，同时孔径对动载荷加载的响应差异并不明显[24]。
针对系统对冲击载荷响应的过程研究中发现系统效率的主要标准是加载在保护对象上的力和时间，以及该系统吸收的冲击/爆炸能量的比例[25]。此外，通过对由甘油与ZSM-5分子筛构成的纳米流控系统的一系列实验发现，需要真空脱气预处理才能获得可逆、稳定的吸能系统[26]。同时通过实验对比了水-β型沸石系统在静态与低速冲击载荷作用下的能量吸收特性，研究结果表明动载荷作用将有效延长液固作用时间并降低力的峰值，能量耗散率远高于准静态载荷下的能量吸收能力[1]。
对于粗糙碳纳米管制成的纳米流控系统，在稳态流动中，粗糙纳米通道壁面可以显著降低液体的稳态流动流速[27]。水分子在碳纳米管中流动时受到的壁面剪应力随着表面粗糙度的增大而明显增大，在冲击载荷作用下，渗透入纳米通道的液体密度低于稳态流体，液体分子偏离液-固平衡位置，因此液-固之间的摩擦效应也要显著低于稳态流体[15]。
3.2系统温度影响
大多数液体与固体间可浸润性会由于温度变化产生显著变化，在各种外部影响因素中，温度场是相对比较容易控制的一个系统参数，且材料浸润性的热效应与温度关系密切，因此研究温度对纳米流控系统的影响具有特殊意义。
在分子动力学数值模拟分析中发现，升高系统温度不仅可以降低纳米孔的临界渗透压，还可以促进渗入液体在卸载后流出纳米孔[28]，同时有效剪切应力和名义黏度均随温度的升高而降低，且温度效应与其他非热因素耦合[29]。
基于热毛细对流效应，热量梯度通常被用于促进液体相进入或流出固体相。实验表明，纳米多孔材料MTE⁃SO溶胶温度从390℃升到400℃，材料表面从超疏水性转变为超亲水性[31]。对由甘油和ZSM-5沸石构建的纳米流控系统进行试验研究，分析温度变化的影响机理，探讨热响应下入渗压力与液相入渗脱滤率的关系，试验验证提高系统温度可以降低临界渗透压力屏障，温度的升高会改变系统的润湿性，改变液固接触角，提高甘油流出率，从而有效提升系统的能量耗散率和可重复使用性[30]。
通过实验测试疏水性沸石中纳米流体的热效应，发现当系统温度很低时，在外界压力下受迫侵入/流出纳米多孔沸石的水呈现弹性的压-容关系，当温度变化时渗透压也显著变化，整个液固混合物的热力温度变化在渗透和解吸时有所不同，表明系统热能的变化也有所不同[32]。
3.3外加电场影响
纳米流控系统需要密封使用，当纳米流控系统中的功能流体采用电解质溶液，则可以通过施加电场的方式来控制纳米流控系统的能量吸收特性。在能量吸收系统中，对于一个已封装、多孔材料与功能流体都固定的装置，外加电场是一种方便、有效控制调节系统参数的方法。但是目前针对外加电场对纳米流控系统的影响规律研究较少。
当水分子在碳纳米管中输运时，施加轴向电场会影响通过纳米管的水流速率，空间模式的电场可以最小化纳米管的入口效应并显著增加流速[33]。经过碳纳米管的水通量与电场不是线性相关，但有一个峰值。有趣的是，锯齿形碳纳米管比扶手形碳纳米管具备将该最大电压延迟到更高的电场值的趋势[34]。此外，水的传导对纳米管上的电荷很敏感，碳纳米管可作为一种有效的水分子可控开关门[35]。由水和碳纳米管/磁铁矿制成的纳米流控系统会受到磁场的影响，外部磁场的存在会导致系统的粘度增加，同时系统的黏度通过提高纳米材料的浓度而增加[36]。
4展望
纳米流控系统在能量吸收耗散、缓冲减震方面具有广泛应用前景，通过对纳米流控系统中纳米多孔介质与功能流体的调整，以及外界因素的控制，可以使纳米流控系统性能在大范围内调节，获得高效蓄能材料。
纳米流控系统未来应用方向可以分为能量吸收耗散、驱动材料、能量收集3种。纳米流控系统用于能量吸收与耗散，外界的机械能将转换为界面能和热能两部分。
需要用到能量吸收缓冲减震的机械部件以及其他场合，如汽车保险杆、防弹衣、头盔、缓冲减速鞋垫等，都可以利用纳米流控系统实现。纳米流控系统能量吸收特性受到系统中纳米多孔介质以及功能流体的影响，改变纳米多孔介质通道孔径或者功能流体种类可以使得纳米流控系统吸收不同层级能量，将不同孔径的纳米多孔介质混合制成的纳米流控系统可以实现能量的梯级吸收，使纳米流控系统能够在不同条件下工作。
可以通过外部因素如施加温度场、电场以及磁场实现纳米流控系统压电驱动或热驱动，通过合理设计和组合，实现热能或电能向机械能转换。在纳米流控系统中，当温度差或电势差发生改变时，纳米多孔材料与非浸润性液体之间的固-液界面能会发生很大的变化，导致系统变得更加亲水或疏水，从而驱动功能流体流入或流出纳米多孔材料的孔道，实现热能或电能向机械能转换。由于纳米多孔材料巨大的放大热/电毛细作用，纳米流控系统输出的能量密度比形状记忆合金和压电体等传统驱动材料高出几个数量级。
纳米流控系统未来也可以用于能量收集。将两个多孔电极板放置在电解质溶液中，制成纳米流控系统。当受到机械能冲撞时，系统可以制成纳米流控机械能-电能转换系统，电解质流过纳米孔，接触面的离子结构将受到干扰。在不同流速下，两个系统形成电势差，实现机械能向电能转换。将其放置在不同温度中，可以获得纳米流控热能-电能转换系统。系统可以实现机械能或热能向电能的转换，实现能量收集。
但从目前研究现状来看，纳米流控系统的研究还存在很大的空白，未来主要研究方向有：
(1)从纳米孔道种类影响方面，研究多种不同孔径的纳米多孔材料混合制成的多级纳米流控系统的能量吸收与转换性能，将数值模拟与实验相结合，不均匀孔道对纳米流控系统的影响。研究不同加载速率、不同系统温度以及外加电场对多级纳米流控系统能量吸收性能的影响，实现纳米流控系统的多层级吸收。
(2)对于不同温度场，研究变温度场对纳米流控系统能量吸收特性的影响。纳米流控系统中的纳米多孔介质与功能流体间的能量壁垒和浸润性受到温度的影响，基于纳米流控系统中的热耗散效应与毛细对流效应，利用能量梯度驱动液体相进入或流出纳米多孔介质，实现纳米流控系统的温控。
(3)对于外加电场，可以针对不同电解液溶液与不同电场强度对纳米流控系统的影响进行分析研究，分析影响内在机理。热能或机械能转换为电能是一个新的研究方向，关于这方向的研究目前处于空白。
5结束语
本文对吸能减震纳米流控系统的研究现状进行分析总结，探讨了进一步研究的方向与思路，并对纳米流控系统的未来发展方向与应用前景进行了分析与展望。纳米流控系统相较于传统吸能材料有着体积小、吸能密度高等优势，作为一种新兴吸能部件，具有广阔的发展前景，也面临一系列的严峻挑战。
根据纳米流控系统的影响规律，可以利用外部因素以及内部因素对纳米流控系统的影响来实现对其进行可控调节，根据现实具体情况得到想要的能量吸收部件，极大拓宽纳米流控系统的应用范围。未来纳米流控系统有3个应用方向：能量吸收耗散、驱动材料、能量收集。利用纳米流控系统自身特性可以实现能量吸收与耗散，利用外界机械能或温度场的变化可以实现驱动，利用电解液作为功能流体可以实现能量收集。
然而目前针对纳米流控系统的研究还存在很大空白，并没有完善成熟的系统应用，具有很大的发展空间，研究方法也不完善。目前针对纳米流控系统的研究主要借助分子动力学计算，利用数值模拟分析，但这势必会与实际情况有所差别，比如模型中纳米孔道为均一化，但是实际情况中纳米孔道并非均匀且孔径也并非均一；比如计算模拟中的孔径远小于实验中选用的纳米多孔介质孔径，这些都是未来需要解决的问题。所以为了更加有效地指导纳米流控系统材料设计，计算模拟中采用的模型需要更加接近真实情况，这为未来的研究方向提供了目标。
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