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當材料受到輕微撞擊時會發生什么

文章作者:www.utbltn.icu發布時間:2019-10-30瀏覽次數:610

當微小顆粒高速撞擊金屬表面時 - 例如,當噴涂層或微隕石撞擊空間站時 - 撞擊的瞬間發生得如此之快,以至于目前尚未清楚地了解該過程的細節。

麻省理工學院的一組研究人員剛剛完成了對粒子撞擊過程的第一次詳細的高速成像和分析,并用它來預測粒子何時從表面反彈,粘住或敲擊材料并削弱它。今天發表在Nature Communications雜志上的一篇論文中描述了這一新發現。

麻省理工學院的博士后研究員和論文的第一作者Mostafa Hassani-Gangaraj解釋說,高速粒子沖擊在工業中用于多種用途,例如涂層,清潔表面和切割材料。它們以超級動力噴砂形式使用,以超音速推動顆粒。這種帶有顆粒的噴霧也可用于強化金屬表面。但到目前為止,這些過程還沒有完全理解過程的基本物理過程。

Hassani-Gangaraj說:“在撞擊的那一刻,可能會出現許多不同的現象,”但研究人員現在首次發現,沖擊的短暫崩潰在侵蝕表面方面起著至關重要的作用。粒子以高于某個閾值的速度移動。

這是重要的信息,因為工業應用中的經驗法則是更高的速度總能帶來更好的結果。新發現表明情況并非總是如此,并且“我們應該意識到在沖擊速度范圍內存在高端區域”,其中涂層(或強化)的有效性降低而不是改善,Hassani-Gangaraj說過。 “為了避免這種情況,我們需要能夠預測效果變化的速度。

結果還可以揭示效果不受控制的情況,例如當風載粒子撞擊風力渦輪機的葉片時,粒子撞擊航天器和衛星,或者當載有巖石時,氣體侵蝕管道的壁和礫石在油流中。 “我們希望了解這些侵蝕過程可能發生的機制和確切條件,”Hassani-Gangaraj說。

衡量這些影響細節的挑戰是雙重的。首先,撞擊事件發生得非常快,粒子以每秒一公里的速度行進(比客機快三到四倍)。其次,顆粒本身非常小,約為頭發厚度的十分之一,并且它們還需要具有非常高的放大率。使用麻省理工學院開發的粒子沖擊試驗臺,該團隊可以以高達每秒1億幀的幀速率記錄視頻效果,并進行一系列實驗,現在可以清楚地描述粒子反彈的條件。表面,粘在上面,或通過熔化侵蝕表面。

對于他們的實驗,該團隊使用直徑約10微米(十萬分之一米)的錫顆粒加速到每秒1千米的速度并撞擊錫表面。使用激光束加速粒子,激光束立即蒸發基板表面并在此過程中噴射粒子。當第二激光束撞擊表面時,它用于照射飛行的粒子。

以前的研究依賴于事后分析 - 研究撞擊發生后的表面。但這并不能讓人們理解這個過程的復雜動態。只有高速成像表明,在高速運動時,顆粒和表面的熔化都會在撞擊時發生。

麻省理工學院的研究員兼該論文的共同作者David Veysset說,研究小組利用這些實驗的數據開發了一個通用模型來預測特定大小粒子在給定速度下的響應。他說到目前為止他們使用的是純金屬,但該團隊計劃使用合金和其他材料進行進一步測試。除了迄今為止測試的直接影響,他們還打算測試各種角度的影響。 “我們可以把它擴展到任何對侵蝕很重要的事情,”他說。目標是開發“一種功能,告訴我們是否會發生侵蝕。”

這可以幫助工程師“設計耐腐蝕材料,無論是在空間還是在地面,是否要抵抗侵蝕,”Veysset說。

該團隊包括資深作者,教授和材料科學與工程總監,Christopher Schuh和化學教授Keith Nelson。這項工作得到了美國能源部,美國陸軍研究辦公室和海軍研究辦公室的支持。

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