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当材料受到轻微撞击时会发生什么

文章作者:www.cs-vaccine.com发布时间:2019-10-30浏览次数:610

当微小颗粒高速撞击金属表面时 - 例如,当喷涂层或微陨石撞击空间站时 - 撞击的瞬间发生得如此之快,以至于目前尚未清楚地了解该过程的细节。

麻省理工学院的一组研究人员刚刚完成了对粒子撞击过程的第一次详细的高速成像和分析,并用它来预测粒子何时从表面反弹,粘住或敲击材料并削弱它。今天发表在Nature Communications杂志上的一篇论文中描述了这一新发现。

麻省理工学院的博士后研究员和论文的第一作者Mostafa Hassani-Gangaraj解释说,高速粒子冲击在工业中用于多种用途,例如涂层,清洁表面和切割材料。它们以超级动力喷砂形式使用,以超音速推动颗粒。这种带有颗粒的喷雾也可用于强化金属表面。但到目前为止,这些过程还没有完全理解过程的基本物理过程。

Hassani-Gangaraj说:“在撞击的那一刻,可能会出现许多不同的现象,”但研究人员现在首次发现,冲击的短暂崩溃在侵蚀表面方面起着至关重要的作用。粒子以高于某个阈值的速度移动。

这是重要的信息,因为工业应用中的经验法则是更高的速度总能带来更好的结果。新发现表明情况并非总是如此,并且“我们应该意识到在冲击速度范围内存在高端区域”,其中涂层(或强化)的有效性降低而不是改善,Hassani-Gangaraj说过。 “为了避免这种情况,我们需要能够预测效果变化的速度。

结果还可以揭示效果不受控制的情况,例如当风载粒子撞击风力涡轮机的叶片时,粒子撞击航天器和卫星,或者当载有岩石时,气体侵蚀管道的壁和砾石在油流中。 “我们希望了解这些侵蚀过程可能发生的机制和确切条件,”Hassani-Gangaraj说。

衡量这些影响细节的挑战是双重的。首先,撞击事件发生得非常快,粒子以每秒一公里的速度行进(比客机快三到四倍)。其次,颗粒本身非常小,约为头发厚度的十分之一,并且它们还需要具有非常高的放大率。使用麻省理工学院开发的粒子冲击试验台,该团队可以以高达每秒1亿帧的帧速率记录视频效果,并进行一系列实验,现在可以清楚地描述粒子反弹的条件。表面,粘在上面,或通过熔化侵蚀表面。

对于他们的实验,该团队使用直径约10微米(十万分之一米)的锡颗粒加速到每秒1千米的速度并撞击锡表面。使用激光束加速粒子,激光束立即蒸发基板表面并在此过程中喷射粒子。当第二激光束撞击表面时,它用于照射飞行的粒子。

以前的研究依赖于事后分析 - 研究撞击发生后的表面。但这并不能让人们理解这个过程的复杂动态。只有高速成像表明,在高速运动时,颗粒和表面的熔化都会在撞击时发生。

麻省理工学院的研究员兼该论文的共同作者David Veysset说,研究小组利用这些实验的数据开发了一个通用模型来预测特定大小粒子在给定速度下的响应。他说到目前为止他们使用的是纯金属,但该团队计划使用合金和其他材料进行进一步测试。除了迄今为止测试的直接影响,他们还打算测试各种角度的影响。 “我们可以把它扩展到任何对侵蚀很重要的事情,”他说。目标是开发“一种功能,告诉我们是否会发生侵蚀。”

这可以帮助工程师“设计耐腐蚀材料,无论是在空间还是在地面,是否要抵抗侵蚀,”Veysset说。

该团队包括资深作者,教授和材料科学与工程总监,Christopher Schuh和化学教授Keith Nelson。这项工作得到了美国能源部,美国陆军研究办公室和海军研究办公室的支持。