Механизмы аккумулирования и диссипации механической энергии в системе несмачивающая жидкость — нанопористое тело

Актуальность проблемы.

Согласно современным представлениям, при сжатии системы нанопористое телонесмачивающая жидкость и достижении порогового давления жидкость заполняет поры пористого тела. Этот переход жидкости из объёма в диспергированное состояние с нанометровым размером частиц жидкости в порах описывается как переход перколяционного типа [1]. Пространственное, перколяционного типа распределение кластеров из заполненных жидкостью пор, подтверждается эффектом «чёртовой лестницы» изменения сопротивления пористого тела (пористого стекла) при заполнении его ртутью в окрестности порогового давления заполнения [2], а также эффектом «вязких пальцев» при вытеснении смачивающей жидкости из пор пористого тела другой жидкостью [3]. При этом формируется неоднородный фронт заполнения пористого тела. Такой характер заполнения типичен при заполнении макроскопических пористых тел смачивающими жидкостями. Для несмачивающих жидкостей заполнение носит’пороговый характер [1]. Пороговый характер заполнения был установлен для гранулированных пористых тел — цеолитов с размером пор (Л = 0.3−1.4 нм) и силохромов (Я = 4−420 нм) при их заполнении несмачивающими жидкими металлами [4−7], гидрофобизированных гранулированных пористых тел с каркасом из оксида кремния (Я = 3-^50 нм) при их заполнении водой [8−13], водными растворами органических соединений [14,15], а также водными растворами солей [16,17]. В отличие от фазового перехода второго рода, к которому относят перколяционный переход [2], для всех исследованных систем наблюдается гистерезис заполнения — вытекания, а также явление невытекания, полного или частичного, несмачивающей жидкости из пористого тела при уменьшении до нуля избыточного давления [79,11,16,18,19]. Качественное описание данных явлений было дано в работе [7], где показано, что при медленном заполнении — вытекании, зависимость объёма жидкости в пористом теле от давления и величина объёма жидкости, оставшейся в порах, могут быть качественно описаны в рамках теории перколяции с учётом полученного выражения для энергетического барьера флуктуационного заполнения — вытекания жидкости из поры, обобщающего для пористых тел соотношение Лапласа. При быстром же заполнении со скоростями роста давления 104-Ч05 атм/с, в работах [20,21] было обнаружено, что заполнение происходит за перколяционным порогом при давлении, значительно превышающем пороговое давление медленного заполнения. Кроме того, во время заполнения наблюдаются осцилляции давления [20]. Из этого следует, что механизмы заполнения пористого тела в случае медленного и быстрого роста давления различаются.

Для заполнения пор нанометрового размера несмачивающей жидкостью с поверхностной.

9 О энергией ~ 0.05-Ю.5 Дж/м требуется пороговое давление 10-И0 МПа. Следовательно, при переходе жидкости из объёма в диспергированное состояние в нанопористом теле с удельным объёмом ~ 10″ м /кг, поглощаемая и возвращаемая (аккумулированная) при вытекании жидкости энергия может составлять 10 100 кДж/кг, что на порядок больше чем для таких используемых в настоящее время материалов как полимерные композиты и сплавы с эффектом памяти формы [22]. Высокая энергоёмкость системы пористое тело — несмачивающая жидкость является основой для разработки нанотехнологии поглощения и аккумулирования механической энергии. Впервые на такую возможность аккумулирования механической энергии обратил внимание В. Н. Богомолов [4]. Однако явление невытекания ограничивает применение системы для поглощения и аккумулирования энергии, а гистерезис определяет величины поглощенной и аккумулированной (возвращаемой при вытекании жидкости) энергии [16]. Превышение же давления заполнения пористого тела в случае быстрого заполнения над медленным даёт возможность предположить способ увеличения энергоемкости системы в случае ударных воздействий (со скоростями роста давления >104 атм/с).

Таким образом, в настоящее время процесс заполнения — вытекания несмачивающей жидкости из пористого тела при медленном росте давления описан лишь качественно, а механизм заполнения пористого тела при быстром сжатии в случае ударного воздействия остается невыясненным. Выяснение закономерностей заполнения нанопористого тела несмачивающей жидкостью при быстром и медленном сжатии представляет как фундаментальный интерес для понимания динамики перколяционного перехода, так и практический интерес в целях разработки нанотехнологий поглощения ударных воздействий и создания аккумуляторов механической энергии. Следует отметить, что исследования заполнения — вытекания проводились при комнатной либо более высокой температуре [7,11,12], что не позволяет ответить на практически важный вопрос о возможности создания устройств на основе системы нанопористое тело — несмачивающая жидкость в широком температурном интервале от —30° до +50°С. Такие условия предполагают дополнительные критерии выбора системы нанопористое тело — несмачивающая жидкость и исследования ее свойств в различных температурных режимах.

Цель н задачи исследования.

Целью данной работы явилось установление механизмов аккумулирования и диссипации механической энергии при медленном (квазистатическом) и импульсном (в результате ударного воздействия) заполнении нанопористых тел несмачивающей жидкостью, а также выяснение влияния различных параметров системы на процессы заполнения-вытекания. В рамках данного исследования решены задачи:

• определение закономерностей процессов заполнения и вытекания несмачивающей жидкости с различной поверхностной энергией в квазистатическом режиме из нанопористых тел, имеющих различные структуру, материал каркаса и размер пор, а таюке анализ энергетики этих процессов;

• разработка методики и создание стенда для исследования процессов заполнения-вытекания несмачивающей жидкости из пористого тела в случае ударного воздействия;

• экспериментальное исследование влияния энергии ударного воздействия, температуры и массы пористого тела на процессы заполнения-вытекания несмачивающей жидкости из пористого тела, анализ энергетики процесса заполнения-вытекания несмачивающей жидкости при ударном воздействии;

• разработка методики расчета системы нанопористое тело — несмачивающая жидкость для динамических устройств с заданными параметрами работы.

Научная новизна и практическая значимость работы.

• Установлено, что при уменьшении поверхностной энергии жидкости (растворы этиленгликоля (ЭГ) и соли СаСЬ) давления заполнения и вытекания из гидрофобных нанопористых тел, имеющих различную структуру, материал каркаса, поверхность и размер пор уменьшаются, а величина объема оставшейся в порах жидкости увеличивается.

• Показано, что зависимости объема системы от давления при заполнениивытекании описываются перколяционной теорией с учетом нескейлинговой функции распределения кластеров заполненных пор по размерам.

• При исследовании процесса медленного заполнения (со скоростью роста давления ~ 0,1 МПа/с) нанопористого тела Либерсорб-23 25%-ным водным раствором СаСЬ в зависимости от температуры системы (величины поверхностной энергии жидкости) в интервале от-30 до +50 °С показано, что при уменьшении температуры давление заполнения слабо растет, давление вытекания уменьшается, а объем оставшейся в пористом теле жидкости увеличивается.

• Разработана методика и создан стенд для исследования динамики заполнения пористого тела несмачивающей жидкостью.

• Впервые установлено, что для исследованной системы Либерсорб-23 — вода при скорости увеличения давления > 1−103 МПа/с заполнение нанопор пористого тела начинается и протекает при постоянном давлении, превышающем давление перколяционного перехода. Обнаружено, что это давление не зависит от энергии удара, а зависимости величины заполненного объема пор и времени заполнения от энергии удара близки к линейным, а средний поток жидкости в порах не зависит от энергии удара.

• Проведен анализ энергетики процесса заполнения-вытекания несмачивающей жидкости из гидрофобного нанопористого тела и обнаружена дополнительная по сравнению с медленным заполнением диссипация энергии.

• Впервые при исследовании динамики заполнения нанопористого тела Либерсорб-23 25%-ным водным раствором СаСЬ в зависимости от температуры системы (вязкости жидкости) в интервале от — 30 до +50 °С показано, что зависимости давления от времени и изменения объема системы от времени при ударном воздействии не изменяются при изменении температуры и, как следствие, изменении более чем в пять раз коэффициента вязкости жидкости.

• Показано, что все полученные зависимости заполнения пористого тела при ударном воздействии описываются моделью динамического перколяционного перехода заполнения.

• Предложены способ поглощения энергии ударного воздействия с использованием системы пористое тело — несмачивающая жидкость и методика расчета системы нанопористое тело — несмачивающая жидкость для трех различных динамических устройств с заданными параметрами работы.

Предложенные способ поглощения энергии ударного воздействия и полученные методики расчета системы нанопористое тело — несмачивающая жидкость для динамических устройств с заданными параметрами работы могут быть использованы при создании бамперов и амортизаторов для транспорта и демпферов гидродинамических ударов в трубопроводах.

Личный вклад автора.

Автор выполнил экспериментальные исследования и установил закономерности заполнения-вытекания, гистерезиса и явления невытекания при медленном квазистатическом повышении давления для различных гидрофобных нанопористых тел, отличающихся материалом каркаса, размером пор и жидкостями — водными растворами ЭГ и солей с различной поверхностной энергией в широком температурном интервале. При его непосредственном участии проведено сравнение этих результатов с перколяционной теорией, учитывающей нескейлингувую функцию распределения кластеров заполненных (пустых) пор по их размерам. Диссертант разработал методику измерений, провел эксперименты и установил новые закономерности динамики процесса заполнения несмачивающей жидкостью нанопористого тела. Им предложена физическая модель и методика расчета устройств поглощения энергии ударного воздействия на основе системы нанопористое тело — несмачивающая жидкость с заданными параметрами работы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследования влияния поверхностной энергии несмачивающей жидкости (водных растворов этиленгликоля) на процессы заполнения и вытекания ее в квазистатическом режиме из ряда нанопористых тел, имеющих различные структуру, материал каркаса, поверхность и размер пор.

2. Разработанная методика и сконструированный стенд для исследования динамики заполнения нанопористых тел несмачивающими жидкостями при различных энергиях ударного воздействия.

3. Результаты исследования динамики заполнения нанопористого тела Либерсорб-23 водой в зависимости от энергии ударного воздействия и массы пористого тела.

4. Результаты анализа энергетики процесса заполнения-вытекания несмачивающей жидкости из нанопористого тела, показавшего дополнительную диссипацию энергии в случае ударного воздействия.

5. Результаты исследования динамики заполнения нанопористого тела Либерсорб-23 25%-ным водным раствором СаСЬ в зависимости от температуры системы.

6. Результаты исследования процесса медленного заполнения нанопористого тела Либерсорб-23 25%-ным водным раствором СаСЬ при различных температурах.

7. Разработанная методика расчета систем нанопористое тело — несмачивающая жидкость для динамических устройств с заданными характеристиками.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах, совещаниях и конференциях: 4ЛШТА8 Interdisciplinary Symp. (г. Москва, 2001) — «Научная сессия МИФИ» (г.-Москва, 2002, 2005) — XI International Scientific Conference «Physical and Chemical Processes on Selection of Atoms and Molecules and in Laser, Plasma and.

Ыапо1есЬпо1с^е5″ (г. Звенигород, 2006) — Международный форум по нанотехнологиям (г. Москва, 2008).

Публикации:

По теме диссертации опубликовано 8 работ в научных журналах и сборниках трудов конференций, в том числе 4 статьи в рецензируемых журналах.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и библиографии. Работа изложена на 159 страницах, содержит 94 рисунка, 14 таблиц и список цитируемой литературы из 97 наименований.

Выводы по главе:

• Проведено сравнение способов демпфирования ударных нагрузок по временным, силовым и мощностным характеристикам демпфирующих устройств. Показано, что применение системы пористое тело — несмачивающая жидкость позволяет упростить демпфирующее возможно и уменьшить массу откатной части без изменения средней мощности отдачи.

• Оценена возможность применения демпфирующего устройства с системой пористое тело — несмачивающая жидкость в стрелковом оружии и проведены оценки параметров отдачи. Расчёты показывают возможность уменьшения массы стрелкового оружия без ухудшения параметров отдачи.

• Оценена возможность применения демпфирующего устройства с системой пористое тело — несмачивающая жидкость в артиллерийском оружии и проведены оценки параметров отдачи. Показано, что применение демпфирующего устройства с системой пористое тело — несмачивающая жидкость позволяет уменьшить время демпфирования, габариты демпфера и массу откатных частей.

Заключение

.

1. Установлены закономерности заполнения — вытекания (гистерезиса) и явления невытекания для исследованных систем гидрофобных пористых тел Силасорб-С8, Силасорб-С18, Либерсорб-2У, Либерсорб-2У-8, Либерсорб-23, Полисорб-1 и жидкостей воды, водных растворов этиленгликоля и водных растворов СаСЬ в условиях медленного (квазистатического) — р 5 0,1 МПа/с и быстрого — р ~ 1-Ю3 МПа/с сжатия систем при температурах от — 30 до + 50 °C.

2. Обнаружено, что для исследованных систем в условиях медленного (квазистатического) изменения давления при уменьшении поверхностного натяжения жидкости уменьшаются характерные давления заполнения и вытекания жидкости из пор, удельная энергия заполнения и увеличивается величина объема жидкости оставшейся в порах после уменьшения избыточного давления до нуля. Увеличение температуры в системе приводит к слабой зависимости давления заполнения и энергии заполнения от температуры, увеличению давления вытекания и уменьшению объема жидкости, оставшейся в пористом теле.

3. Полученные зависимости Уф) и величина оставшегося в пористом теле объема жидкости Уо для исследованных систем описываются в рамках перколяционной теории с учетом энергетического барьера флуктуационного образования, взаимодействия и роста фрактальных кластеров, заполненных и пустых пор. Для описания процессов использована нескейлинговая функция распределения кластеров доступных и заполненных пор, учитывающая образование кластеров пор произвольного размера.

4. Разработана методика, сконструирован и изготовлен стенд для измерения зависимостей давления и объема системы от времени при исследования динамики заполнения нанопористых тел несмачивающими жидкостями при скорости роста давления р > МО3 МПа/с.

5. Для исследованных систем при быстром сжатии, когда скорость увеличения давления > МО3 МПа/с обнаружено:

— заполнение нанопор пористого тела начинается при достижении нового порогового давления, превышающего давление перколяционного перехода в случае медленного сжатия;

— в процессе заполнения давление остается постоянным, и в пределах погрешности измерений не зависит от энергии удара;

— зависимости величины заполненного объема пор и времени заполнения от энергии близки к линейным, а средний поток жидкости в порах не зависит от энергии удараувеличение массы пористого тела при неизменной энергии воздействия приводит к снижению характерного давления заполнения, увеличению времени заполнения и доли диссипированной энергии.

6. Установлено, что зависимости давления и объема системы от времени при быстром сжатии системы не изменяются при изменении температуры и увеличении более чем в пять раз коэффициента вязкости жидкости. Это обеспечивает возможность создания быстродействующих устройств поглощения энергии удара при низких температурах.

7. Полученные зависимости описываются в рамках модели динамического перколяционного перехода, в которой заполнение описывается как самоорганизованный, пространственно неоднородный процесс, не зависящий от вязкости жидкости.

8. Разработана методика расчета системы несмачивающая жидкость — нанопористое тело для динамических устройств с заданными характеристиками и оценена возможность применения демпфирующего устройства с системой пористое тело — несмачивающая жидкость для трех динамических систем. Показана возможность уменьшения массы откатных частей при соблюдении требуемых условий демпфирования, и уменьшения габаритов демпфера.