Højhastighedskamera viser, at indgående partikler forårsager skade ved kortvarigt at smelte overflader, når de rammer

Når små partikler rammer en metaloverflade med høj hastighed - f.eks. som belægninger, der sprøjtes, eller som mikrometeoritter, der støder en rumstation - stødsøjeblikket sker så hurtigt, at detaljerne i processen ikke er blevet klart forstået, indtil nu.

Et team af forskere ved MIT har netop gennemført den første detaljerede højhastighedsbilleddannelse og analyse af mikropartikelpåvirkningsprocessen, og brugte disse data til at forudsige, hvornår partiklerne vil hoppe væk, Pind, eller slå materiale af overfladen og svække det. De nye resultater er beskrevet i et papir, der udkommer i dag i tidsskriftet Naturkommunikation .

Mostafa Hassani-Gangaraj, en MIT postdoc og papirets hovedforfatter, forklarer, at mikropartikelpåvirkninger med høj hastighed bruges til mange formål i industrien, for eksempel, til påføring af belægninger, rengøring af overflader, og skærematerialer. De anvendes i en slags superpowered version af sandblæsning, der driver partiklerne frem med supersoniske hastigheder. Sådan sprængning med mikropartikler kan også bruges til at styrke metaloverflader. Men indtil nu er disse processer blevet kontrolleret uden en solid forståelse af processens underliggende fysik.

"Der er mange forskellige fænomener, der kan finde sted" i påvirkningsøjeblikket, Hassani-Gangaraj siger, men nu har forskerne for første gang fundet ud af, at en kort periode med smeltning ved stød spiller en afgørende rolle for erodering af overfladen, når partiklerne bevæger sig med hastigheder over en vis tærskel.

Det er vigtig information, fordi tommelfingerreglen i industrielle applikationer er, at højere hastigheder altid vil føre til bedre resultater. De nye resultater viser, at dette ikke altid er tilfældet, og "vi bør være opmærksomme på, at der er denne region i den høje ende" af rækken af ​​anslagshastigheder, hvor effektiviteten af ​​belægningen (eller forstærkningen) falder i stedet for at forbedre, Hassani-Gangaraj siger. "For at undgå det, vi skal være i stand til at forudsige" den hastighed, hvormed virkningerne ændrer sig.

Resultaterne kan også kaste lys over situationer, hvor påvirkningerne er ukontrollerede, som når vindbårne partikler rammer vingene på vindmøller, når mikropartikler rammer rumfartøjer og satellitter, eller når stumper af sten og grus, der føres med i en strøm af olie eller gas, eroderer rørledningernes vægge. "Vi ønsker at forstå mekanismerne og de nøjagtige forhold, når disse erosionsprocesser kan ske, " siger Hassani-Gangaraj.

Udfordringen med at måle detaljerne i disse påvirkninger var dobbelt. Først, indvirkningsbegivenhederne finder sted ekstremt hurtigt, med partikler, der rejser med op til en kilometer i sekundet (tre eller fire gange hurtigere end passagerjetfly). Og for det andet, selve partiklerne er så små, omkring en tiendedel af tykkelsen af ​​et hår, at observation af dem også kræver meget høj forstørrelse. Holdet brugte en mikropartikel-impact testbed udviklet ved MIT, som kan optage effektvideoer med billedhastigheder på op til 100 millioner billeder i sekundet, at udføre en række eksperimenter, der nu klart har afgrænset de betingelser, der bestemmer, om en partikel vil prelle af en overflade, Bliv ved med det, eller erodere overfladen ved smeltning.

For deres eksperimenter, holdet brugte tinpartikler på omkring 10 mikrometer (hundrede tusindedele af en meter) i diameter, accelereret til hastigheder på op til 1 kilometer i sekundet og rammer en blikoverflade. Partiklerne blev accelereret ved hjælp af en laserstråle, der øjeblikkeligt fordamper en substratoverflade og udstøder partiklerne i processen. En anden laserstråle blev brugt til at belyse de flyvende partikler, da de ramte overfladen.

Tidligere undersøgelser havde påberåbt sig post-mortem-analyse - at studere overfladen efter påvirkningen har fundet sted. Men det gav ikke mulighed for en forståelse af processens komplekse dynamik. Det var kun højhastighedsbilleddannelsen, der afslørede, at smeltning af både partiklen og overfladen fandt sted i stødøjeblikket, i højhastighedstilfældene.

Holdet brugte dataene fra disse eksperimenter til at udvikle en generel model til at forudsige responsen af ​​partikler af en given størrelse, der rejser med en given hastighed, siger David Veysset, en stabsforsker ved MIT og medforfatter til papiret. Indtil nu, han siger, de har brugt rene metaller, men holdet planlægger yderligere test ved hjælp af legeringer og andre materialer. De har også til hensigt at teste stød i en række andre vinkler end de lige ned-nedslag, der er testet indtil videre. "Vi kan udvide dette til enhver situation, hvor erosion er vigtig, " siger han. Målet er at udvikle "én funktion, der kan fortælle os, om erosion vil ske eller ej."

Det kunne hjælpe ingeniører med at designe materialer til erosionsbeskyttelse, om det er i rummet eller på jorden, hvor end de ønsker at modstå erosion, " siger Veysset.

"Forfatterne udforsker et nyt regime for højhastighedspåvirkning, hvor de påvirkende partikler faktisk smelter, " siger H. Jay Melosh, en professor i fysik og rumfartsteknik ved Purdue University og en specialist i påvirkninger, som ikke var involveret i denne undersøgelse. Han tilføjer, "I dette regime kan de tilføje materiale fra de påvirkende partikler samt erodere målet. Dette kan i sidste ende finde en teknologisk anvendelse, men det arbejde, der præsenteres i papiret, er hovedsageligt en analyse af anslagsmekanikken og giver en kvantitativ vurdering af, hvor meget af målet (substratet) der er eroderet som funktion af anslagshastigheden."

Melosh siger, "Det eksperimentelle arbejde er af meget høj kvalitet. ... Jeg kunne forestille mig, at det kunne have applikationer til nogle typer overfladefræsning, ligner sandblæsning, men mere aggressiv end den metode."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.