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一、納米流體能量吸收材料的研發(fā)背景
高性能抗沖擊、減震吸能的防護(hù)材料，在國防軍工、工業(yè)建設(shè)、汽車安全、兒童保護(hù)、體育用品以及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，例如裝甲、防彈衣、防爆服、防刺服、飛機(jī)起落架、高速公路隔離墩、安全帽、汽車保險(xiǎn)杠、運(yùn)動鞋和運(yùn)動護(hù)具、精密儀器包裝、減震降噪系統(tǒng)等，因此，這一類材料長期以來一直是科學(xué)界和工業(yè)界的研發(fā)熱點(diǎn)。
單位質(zhì)量吸能密度和單位體積吸能密度是影響防護(hù)材料防護(hù)性能的關(guān)鍵，在這一方面，各國科學(xué)家開展了大量的研究工作，包括高吸能材料研究，吸能部件的拓?fù)浜蛶缀谓Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，防護(hù)結(jié)構(gòu)宏觀設(shè)計(jì)和優(yōu)化等。各種不同的吸能機(jī)理（如塑性失穩(wěn)、相變、摩擦耗散、表面/界面能量吸收）都被用來提高防護(hù)結(jié)構(gòu)的吸能密度。
然而，不盡如人意的是，目前市場上絕大多數(shù)材料，其吸能密度最高僅為20J/g左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足在一般的沖擊震動條件下對于防護(hù)性能的要求，離高速沖擊條件下所需的安全性就相差更遠(yuǎn)了。
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吸能材料 |
密度（g/cm3） |
吸能密度（J/g） |
常規(guī)產(chǎn)品 |
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高聚物泡沫材料 |
0.03-0.3 |
0.1-2 |
EPP、EPE、EPS、EVA、發(fā)泡海綿、聚氨酯、HDPE、LDPE |
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金屬泡沫材料 |
0.1-0.3 |
1-20 |
泡沫鋁 |
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多孔編織復(fù)合材料 |
0.1 |
1-10 |
滌綸 |
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形狀記憶合金 |
5-7 |
＜1 |
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硅膠 |
1.1-1.25 |
0.25-0.27 |
硅橡膠、硅樹脂 |
二、納米流體吸能材料簡介
納米多孔材料本身由疏水性材料制成，在常規(guī)情況下，功能流體無法進(jìn)入到納米材料孔道當(dāng)中，一旦發(fā)生外力作用，功能液體將進(jìn)入納米孔道，通過這一過程，將外力機(jī)械功轉(zhuǎn)換為液固兩相間的盈余表面張力和摩擦力，真正實(shí)現(xiàn)了能量守恒轉(zhuǎn)化，外力撤消后，功能液體將流出納米孔道，因此，材料本身可以反復(fù)多次使用。1g納米多孔材料的比表面積可以達(dá)到100—2000平方米，是基體材料的幾十億倍，其吸收密度可以達(dá)到60-200J/g以上。
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序號 |
項(xiàng)目 |
指標(biāo) |
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1 |
凝沸點(diǎn) |
-40℃—70℃ |
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2 |
密度 |
0.8 g/cm3—1.2g/cm3 |
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3 |
能量吸收密度 |
≥60J/g |
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4 |
吸能響應(yīng)速度 |
≤4ms |
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5 |
能量吸收模塊實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)時能承受的最大壓強(qiáng) |
≥150MPa |
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6 |
沖擊回彈實(shí)驗(yàn)，（誤差＜±0.5%）室溫（22±5℃） |
回彈值%（16.0-17.2） |
目前，根據(jù)檢測結(jié)果，納米流體能量吸收材料是任何當(dāng)前市面上的能量吸收材料的幾十乃至數(shù)百倍以上。在高速沖擊下，納米約束的液體分子所展現(xiàn)出的獨(dú)特構(gòu)型可以極大程度地遷移和減緩沖擊波，效果遠(yuǎn)優(yōu)于任何已知材料。
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吸能材料 |
密度（g/cm3） |
吸能密度（J/g） |
常規(guī)產(chǎn)品 |
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高聚物泡沫材料 |
0.03-0.3 |
0.1-2 |
EPP、EPE、EPS、EVA、發(fā)泡海綿、聚氨酯、HDPE、LDPE |
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金屬泡沫材料 |
0.1-0.3 |
1-20 |
泡沫鋁 |
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多孔編織復(fù)合材料 |
0.1 |
1-10 |
滌綸 |
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形狀記憶合金 |
5-7 |
＜1 |
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NFEAM * |
0.8-1.2 |
60-200 |
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納米流體能量吸收材料結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，性能在大范圍內(nèi)可調(diào)（僅需簡單改動就可使材料適用于不同的工業(yè)、軍用、民用的應(yīng)用中）。材料可以方便地嵌入任何現(xiàn)有的需保護(hù)的系統(tǒng)中，無需對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行重大結(jié)構(gòu)改造。目前，已經(jīng)在國家勞動保護(hù)用品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，中船重工七二五研究所進(jìn)行了第三方評價測試，檢測結(jié)果表明，納米流體能量吸收材料可以提高安全帽和摩托車頭盔吸能性能60%—70%左右。
國家勞動保護(hù)用品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心頭盔檢測
在頭模之上戴上頭盔，共計(jì)5KG，傳感器置于頭盔與頭模之間，從1.8米高處落下，頭盔率先著地，傳感器感應(yīng)到重力加速度越小，吸能效果越好。
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加入吸能模塊的頭盔 |
未加吸能模塊的頭盔 |
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峰值：221.0g |
150g作用時間:1.73ms |
峰值：830.0g |
150g作用時間:1.09ms |
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200g作用時間:0.74ms |
200g作用時間:0.90ms |
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峰值：293.1g |
150g作用時間：1.78ms |
峰值：958.3g |
150g作用時間：1.09ms |
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200g作用時間：1.25ms |
200g作用時間：0.93ms |
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峰值：245.3g |
150g作用時間：2.2.ms |
峰值：958.3g |
150g作用時間：0.92ms |
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200g作用時間：1.40ms |
200g作用時間：0.83ms |
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峰值：512.6g |
150g作用時間：1.68ms |
峰值：958.3g |
150g作用時間：0.92ms |
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200g作用時間：1.40ms |
200g作用時間：0.83ms |
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峰值：142.8g |
150g作用時間：0.00ms |
峰值：541.2g |
150g作用時間：0.96ms |
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200g作用時間：0.00ms |
200g作用時間：0.77ms |
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峰值：249.5g |
150g作用時間：2.06ms |
峰值：958.3g |
150g作用時間：0.88ms |
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200g作用時間：1.45ms |
200g作用時間：0.82ms |
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落錘試驗(yàn)
將傳感器放置于四種減震測試材料下方，5kg錘頭從30厘米高處落下，材料會吸收沖擊力，材料底部的傳感器記錄未吸收的沖擊力峰值，未吸收沖擊力峰值越小，說明材料本身吸收沖擊力效果越好。
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吸能材料 |
EVA |
硅膠 |
EPS |
納米流體能量吸收材料 |
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錘頭重量 |
5KG |
5KG |
5KG |
5KG |
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沖擊力峰值 |
515KG |
692KG |
903KG |
234KG |
三、納米流體吸能材料開發(fā)團(tuán)隊(duì)
陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院
陜西煤業(yè)化工集團(tuán)為陜西省特大型能源化工企業(yè)集團(tuán)，是陜西省能源化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的骨干企業(yè)和陜西省煤炭大基地開發(fā)建設(shè)的主體。總部位于西安市，注冊資本100億元。集團(tuán)目前擁有80余個全資、參控股企業(yè)，資產(chǎn)總額4043億元，在冊職工13萬余人。產(chǎn)業(yè)涉及煤炭、煤化工、鋼鐵、電力、裝備、科技、金融、建筑施工等。2015年實(shí)現(xiàn)銷售收入1909.73億元，煤炭產(chǎn)量達(dá)1.27億噸。2015年榮列世界500強(qiáng)榜單第416位，成為西部地區(qū)第二家躋身世界500強(qiáng)的企業(yè)。
陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院是陜煤化集團(tuán)的全資子公司，于2011年5月成立，注冊資本金10億元人民幣。公司以能源（煤炭）化工技術(shù)的工程化開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用為重點(diǎn)，經(jīng)營范圍涉及能源（煤炭）、化工、新材料、新能源等多個行業(yè)工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)和產(chǎn)品的科技研發(fā)、科技成果的推廣和應(yīng)用、工程和管理咨詢服務(wù)以及專利專有技術(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)經(jīng)營、銷售代理和專利專有技術(shù)的許可代理等。
公司現(xiàn)有員工326人，其中碩士141人，博士52人，碩士以上學(xué)歷占總?cè)藬?shù)的60%，下屬3家參控股公司。公司目前擁有6個國家級科研機(jī)構(gòu)、6個省級工程研究中心、9個省級企業(yè)技術(shù)中心、4個省創(chuàng)新型企業(yè)、4個省創(chuàng)新型試點(diǎn)企業(yè)，擁有院士專家工作站1個，駐站院士6人、博士后科研工作站2個、“長江學(xué)者”2人。
