När små partiklar träffar en metallyta med hög hastighet - t.ex. som beläggningar som sprutas eller som mikrometeoriter som tappar en rymdstation - stötningstillfället sker så snabbt att detaljerna i processen inte har förståtts klart, tills nu.

Ett team av forskare vid MIT har just genomfört den första detaljerade höghastighetsavbildningen och analysen av mikropartikelpåverkan, och använde dessa data för att förutsäga när partiklarna kommer att studsa bort, pinne, eller slå material från ytan och försvaga det. De nya fynden beskrivs i ett papper som visas idag i tidningen Naturkommunikation .

Mostafa Hassani-Gangaraj, en MIT postdoc och tidningens huvudförfattare, förklarar att höghastighetsmikropartikelpåverkan används för många ändamål inom industrin, till exempel, för applicering av beläggningar, rengöring av ytor, och skärmaterial. De appliceras i en slags superkraftig version av sandblästring som driver partiklarna med supersonisk hastighet. Sådan sprängning med mikropartiklar kan också användas för att stärka metalliska ytor. Men tills nu har dessa processer kontrollerats utan en solid förståelse för processens underliggande fysik.

"Det finns många olika fenomen som kan äga rum" vid påverkan, Hassani-Gangaraj säger, men nu för första gången har forskarna funnit att en kort period av smältning vid inverkan spelar en avgörande roll för att urholka ytan när partiklarna rör sig i hastigheter över ett visst tröskelvärde.

Det är viktig information eftersom tumregeln i industriella tillämpningar är att högre hastigheter alltid kommer att leda till bättre resultat. De nya resultaten visar att så inte alltid är fallet, och "vi bör vara medvetna om att det finns denna region i den höga änden" av intervallet för slaghastigheter, där beläggningens (eller förstärkningens) effektivitet minskar istället för att förbättras, Säger Hassani-Gangaraj. "För att undvika det, vi måste kunna förutsäga ”i vilken hastighet effekterna förändras.

Resultaten kan också belysa situationer där effekterna är okontrollerade, som när vindburna partiklar träffar vindkraftverkens blad, när mikropartiklar träffar rymdfarkoster och satelliter, eller när bitar av sten och grus som bärs i ett flöde av olja eller gas urholkar väggarna i rörledningarna. "Vi vill förstå mekanismerna och exakta förhållanden när dessa erosionsprocesser kan hända, "Säger Hassani-Gangaraj.

Utmaningen att mäta detaljerna om dessa effekter var tvåfaldig. Först, effekterna sker extremt snabbt, med partiklar som rör sig uppåt en kilometer per sekund (tre eller fyra gånger snabbare än passagerarstråleplan). Och för det andra, själva partiklarna är så små, ungefär en tiondel av hårets tjocklek, att observera dem kräver också mycket hög förstoring. Teamet använde en testbädd för mikropartiklar som utvecklats vid MIT, som kan spela in effektvideor med bildhastigheter på upp till 100 miljoner bilder per sekund, att utföra en serie experiment som nu tydligt har avgränsat de förhållanden som avgör om en partikel kommer att studsa av en yta, hålla fast vid det, eller urholka ytan genom att smälta.

För deras experiment, laget använde tennpartiklar på cirka 10 mikrometer (hundratusendelar av en meter) i diameter, accelererade till hastigheter upp till 1 kilometer per sekund och träffade en tennyta. Partiklarna accelererades med en laserstråle som omedelbart förångar en substratyta och matar ut partiklarna i processen. En andra laserstråle användes för att belysa de flygande partiklarna när de träffade ytan.

Tidigare studier hade förlitat sig på obduktionsanalys-studerat ytan efter att påverkan har ägt rum. Men det tillät inte en förståelse av processens komplexa dynamik. Det var bara höghastighetsavbildningen som avslöjade att smältning av både partikeln och ytan ägde rum vid stötpunkten, i höghastighetsfallen.

Teamet använde data från dessa experiment för att utveckla en allmän modell för att förutsäga svaret hos partiklar av en viss storlek som reser med en given hastighet, säger David Veysset, en personalforskare vid MIT och medförfattare till uppsatsen. Än så länge, han säger, de har använt rena metaller, men laget planerar ytterligare tester med legeringar och annat material. De har också för avsikt att testa stötar i en mängd olika vinklar än de raka nedslag som hittills har testats. "Vi kan utvidga detta till varje situation där erosion är viktig, "säger han. Målet är att utveckla" en funktion som kan berätta om erosion kommer att hända eller inte. "

Det kan hjälpa ingenjörer "att designa material för erosionsskydd, oavsett om det är i rymden eller på marken, vart de än vill motstå erosion, "Säger Veysset.

"Författarna utforskar en ny regim med höghastighetspåverkan där de påverkande partiklarna faktiskt smälter, "säger H. Jay Melosh, professor i fysik och rymdteknik vid Purdue University och specialist på effekter, som inte var inblandad i denna studie. Han lägger till, "I denna regim kan de lägga till material från de påverkande partiklarna samt erodera målet. Detta kan så småningom hitta en teknisk tillämpning, men arbetet som presenteras i uppsatsen är huvudsakligen en analys av påverkningsmekaniken och ger en kvantitativ bedömning av hur mycket av målet (substratet) som eroderas som en funktion av slaghastigheten. "

Melosh säger, "Det experimentella arbetet är av mycket hög kvalitet. ... Jag kan tänka mig att det kan ha applikationer för vissa typer av ytfräsning, liknande sandblästring men mer aggressiv än den metoden. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.