硅胶微孔道渗流特性对胶体阻尼器性能的影响研究

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胶体阻尼器一般以多孔疏水硅胶和纯净水组成的胶体为工作介质,在几乎不产生热量的情况下可消耗大量的振动和冲击能量,被誉为“能量黑洞”,其效率可达液体阻尼器的2至3倍,作为一种全新的高效阻尼减振方法有广泛的工程应用前景。  研究胶体阻尼器胶体的微观结构对宏观性能(耗能特性和速度特性)的影响规律具有较高的学术意义和应用价值。本文采用动态润湿理论和分形理论,从多孔疏水硅胶的微观孔隙结构出发,建立适用于疏水硅胶孔道内水流动的一阶滑移分形模型,以图解释硅胶胶体微观结构改变对胶体阻尼器宏观性能(耗能特性和渗流特性)的影响规律。具体研究内容及结果如下:  (1)应用动态润湿理论阐述了介观尺度下疏水硅胶孔道中渗流的影响因素,应用动态润湿理论探讨了水在疏水硅胶孔道内的渗流机制。理论分析表明:硅胶纳米孔道内接触角是一个动态的变化过程,接触角随着Cassie-Wenzel的润湿状态变化,使液滴在粗糙表面的润湿和铺展过程中消耗大量能量;对于孔径相同而功能团不同的硅胶,改性后的孔径和烷烃链长为负相关关系,比表面积和孔容积则与链长正相关;对于相同功能团不同孔径的硅胶,由于本身孔径差异较大,链长不足以对其结构参数的趋势造成影响。  (2)通过扫描电镜图片分析了硅胶的孔隙结构,应用分形理论计算出基于硅胶孔隙结构特征的孔隙面积分形维数和孔隙迂曲度维数:孔隙面积分形维数为2.58~2.83,迂曲度维数为1.10~1.18;在此基础上,结合渗流速度模型提出了适用于疏水硅胶孔道内水流动的一阶滑移分形模型。  (3)为验证—阶滑移分形模型的正确性,设计了胶体阻尼器及其性能测试平台,通过对装载不同型号疏水胶体的胶体阻尼器进行性能实验测试,结果显示:同种型号疏水胶体的胶体阻尼器所耗散的能量与疏水硅胶-水的固-液接触表面的面积成正相关关系;不同烷烃链长改性的硅胶在胶体中的有效孔径和有效孔容积均受到疏水层的影响,导致能量耗散量不同;这些实验数据呈现的变化规律与一阶滑移分形模型的理论计算值的变化趋势具有同一性,表明本文所提出的一阶滑移分形模型能对疏水胶体第一次加压时的渗流速度进行解析式表达。  综上,本文揭示的胶体阻尼器所用工作介质的微观结构改变对其宏观性能(耗能和速度特性)的影响规律可望为提升胶体阻尼器的工作性能提供新的理论基础和技术研究手段。
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