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高速微粒冲击在工业中用于许多目的

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当微小颗粒以高速撞击金属表面时 – 例如,当喷涂涂层或微型陨石撞击空间站时

  • 撞击的瞬间发生得如此之快,以至于到目前为止还没有清楚地理解过程的细节。

麻省理工学院的一组研究人员刚刚完成了对微粒冲击过程的第一次详细的高速成像和分析,并利用这些数据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。

麻省理工学院博士后和该论文的第一作者Mostafa
Hassani-Gangaraj解释说,高速微粒冲击在工业中用于许多目的,例如涂覆涂层,清洁表面和切割材料。它们被应用于一种超级动力的喷砂形式,以超音速推动颗粒。这种用微粒喷射也可用于强化金属表面。但是到目前为止,这些过程一直没有对过程的基本物理学有充分的了解。

Hassani-Gangaraj说,在撞击的那一刻,可能会发生许多不同的现象,但现在研究人员首次发现,撞击时短暂的融化对于侵蚀表面起着至关重要的作用。粒子以高于某一阈值的速度移动。

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冲击速度范围内存在高端区域,其中涂层(或强化)的有效性下降而不是改善,
Hassani-Gangaraj说。为了避免这种情况,我们需要能够预测效果变化的速度。

结果还可以揭示影响不受控制的情况,例如当风载颗粒撞击风力涡轮机的叶片,微粒撞击航天器和卫星时,或者在石油流中携带岩石和砂砾时气体侵蚀了管道的墙壁。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迅速,粒子以每秒一公里的速度行进(比客机飞机快三到四倍)。其次,颗粒本身非常小,约为头发厚度的十分之一,观察它们也需要非常高的放大倍数。该团队使用在麻省理工学院开发的微粒冲击试验台,可以记录帧速率高达每秒1亿帧的影响视频,进行一系列实验,这些实验现在已经清楚地描述了确定粒子是否会反弹的条件。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公里的速度并撞击锡表面。使用激光束加速粒子,该激光束立即蒸发基板表面并在该过程中喷射粒子。当第二个激光束撞击表面时,它用于照射飞行的粒子。

以前的研究依赖于事后分析 –
在影响发生后研究表面。但这并不能让人理解这个过程的复杂动态。只有高速成像显示,在高速情况下,颗粒和表面的熔化都发生在碰撞时刻。

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的颗粒在给定速度下的响应。他说,到目前为止,他们已经使用了纯金属,但该团队计划使用合金和其他材料进行进一步的测试。除了迄今为止测试的直接冲击外,他们还打算测试各种角度的冲击。我们可以将其扩展到任何侵蚀都很重要的情况,他说。目的是开发一种可以告诉我们侵蚀是否会发生的功能。

这可以帮助工程师设计防腐蚀材料,无论是在太空还是在地面,无论他们想要抵抗侵蚀,Veysset说。

该团队包括资深作者,材料科学与工程系教授兼主任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。

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