20 октября 2021

Ученые НИЯУ МИФИ исследовали возможность защиты объектов от ударов и взрывов с помощью смесей нанопористого порошкообразного материала и несмачивающей жидкости

Исследователи Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) установили, что можно эффективно защищать объекты от удара или взрыва смесью нанопористого порошкообразного материала и несмачивающей жидкости. Ученые выяснили, что такие смеси за миллисекунды поглощают энергию внешнего импульсного воздействия. Результаты опубликованы в журнале Journal of Colloid and Interface Science.

Сотрудники НИЯУ МИФИ изучали возможности использования специальных смесей для защиты объектов от высокоэнергетического импульсного воздействия – удара или взрыва. В эти смеси входят нанопористый порошкообразный материал и жидкость, которая не проникает в поры при нормальных условиях (не смачивает материал, т.е. не пропитывает его).

Исследователи изучали свойства смесей в специальных экспериментальных камерах, которые могут служить прототипом реальных устройств, а также на уникальных экспериментальных стендах, разработанных в НИЯУ МИФИ. Они установили, что такие смеси могут эффективно поглощать энергию внешнего импульсного воздействия за миллисекунды. Ученые также выяснили, что, подбирая материалы и их количество, можно контролировать усилие на защищаемый объект.

По словам авторов, их идея заключается в использовании явления заполнения пористых материалов несмачивающими жидкостями, которое возможно только при давлении выше атмосферного.

"Важно и то, что жидкость может вытекать из пор материала при уменьшении давления. Разность между давлениями, при которых жидкость затекает в поры и вытекает из них (гистерезис давлений) определяет долю поглощенной такой смесью энергии. Чем больше разность, тем больше доля поглощенной энергии", – рассказал доцент Института нанотехнологий в электронике, спинтронике и фотонике (ИНТЭЛ) НИЯУ МИФИ Антон Белогорлов.

По его словам, нагрев таких смесей в процессе заполнения-вытекания жидкости составляет лишь проценты от поглощенной энергии, и устройство, основанное на изучаемом принципе, практически не нагревается в процессе работы.

Сегодня работы по созданию устройств на предлагаемом принципе ведутся не только в России, но и в США, Франции, КНР и Японии.

До сих пор поглощение импульсных воздействий осуществлялось устройствами двух видов. Во-первых, устройствами пружинного типа, которые за счет упругой деформации увеличивают время воздействия и практически не поглощают энергию. Во-вторых, гидравлическими системами, которые преобразуют энергию в тепло за счет перетекания жидкости через тонкие каналы, но не дают возможность многократного использования.

Классический пример устройства, в котором реализована комбинация пружинного и гидравлического принципов, это автомобильный амортизатор. В нем происходит и диссипация энергии, и возврат устройства в исходное состояние.

Основными недостатками классических систем, по словам ученых НИЯУ МИФИ, являются перегрев и увеличение силы, действующей на защищаемый объект, при увеличении мощности воздействия. Также реализуются схемы поглощения энергии удара за счет необратимой деформации (сминания) материала при ударе. Так работают, например, ячеистые структуры в бамперах, обладающие высокой энергоемкостью.

В свою очередь, смесь, которую предложили сотрудники НИЯУ МИФИ, по их словам, позволяет совместить высокую удельную энергоёмкость (до 20 Дж на грамм материала), фиксированную величину усилия на защищаемый объект, многократность использования и низкое тепловыделение.

Сейчас ученые работают над созданием и исследованием новых материалов для смесей и определением закономерностей, позволяющих рассчитывать характеристики устройств по известным характеристикам материалов.

Исследования проводились в НИЯУ МИФИ и ИНХС РАН в рамках проекта РНФ 18-13-00398 "Коллективные динамические явления в нанофлюидных системах нанопористой среды".