Что происходит, когда частица, движущаяся со скоростью 1 км/с, ударяется о металлическую поверхность?
Исследователи достигают детальной высокоскоростной визуализации процесса воздействия микрочастиц. Исследование показало, что как поверхность, так и частицы расплавляются в некоторой степени при высоких скоростях удара.
Сочетание высоких температур, давлений и скоростей деформации, возникающих при ударе, может вызвать широкий спектр реакций материалов, включая нанокристаллизацию, твердотельное распыление, образование кратеров, необычные фазовые превращения и различные химические реакции.
Среди них наиболее распространенным явлением является ударно-индуцированная эрозия, которая часто происходит в космосе (например, при столкновении микрометеоритов с космическими аппаратами), а также на земле (например, при нанесении покрытий на металл).
В связи с небольшими масштабами длины и короткими временными рамками, связанными с этим явлением, до настоящего времени не было четко понятно, в чем заключаются детали этого явления.
Недавно исследователи из Массачусетского технологического института провели эксперимент, в котором они представили и проанализировали процесс удара микрочастицы, чтобы предсказать, как она будет реагировать после столкновения: будет ли частица сбивать материал с поверхности или отскочит.
Эксперименты с воздействием одиночных частиц
Для своего эксперимента команда выбрала несколько крошечных частиц (диаметром около 10 микрометров), разогнала их до 1067 метров в секунду и столкнула их с плоской твердой поверхностью.
В этом процессе они использовали два лазерных луча: один для ускорения частиц (путем мгновенного испарения поверхности подложки, которая выбрасывает частицы на высоких скоростях), а другой для освещения летящих частиц, когда они сталкивались с поверхностью.
Процесс столкновения был записан в режиме реального времени с использованием испытательного стенда для микрочастиц, способного захватывать видео со скоростью 100 миллионов кадров в секунду.
На микроуровне металлические частицы изменяют свое взаимодействие с мишенями по мере увеличения скорости столкновения.
- При чрезвычайно слабом ударе (менее 0,1 м / с) частицы отскакивают с их начальной кинетической энергией.
- При чуть более высоких скоростях удара (менее 10 м / с) частицы отскакивают с долей их начальной кинетической энергии, одновременно пластически деформируя цель и себя.
- Для более сильного удара (около 100 м/с) частицы образуют адгезионную связь с мишенью, образуя покрытия или сыпучие вещества.
- При еще более высоких скоростях соударения (более 1000 м/с) может произойти потеря материала. Это может привести к повреждению таких объектов, как спутники и космические аппараты.
Почему это так важно?
Исследования, проведенные в прошлом, опирались только на "посмертную" экспертизу. Таким образом, условия, необходимые для того, чтобы вызвать эрозию, и детализированный механизм импактной эрозии были плохо изучены. Высокоскоростная визуализация показала, что как поверхность, так и частицы расплавляются в той или иной степени при высоких скоростях удара.
Сегодня высокоскоростные удары частиц используются для нескольких целей в различных отраслях промышленности, таких как очистка поверхностей, нанесение покрытий и резка материалов. Тем не менее мы контролировали эти процессы, не зная основную физику процесса.
В соответствии с отраслевыми стандартами, мы всегда думали, что более высокие скорости воздействия приводят к лучшим результатам. Тем не менее исследование показывает, что это не всегда так. Фактически качество и прочность покрытия резко снижаются при сверхзвуковых скоростях.
Исследователи использовали данные, полученные в результате этих экспериментов, чтобы построить общую модель для прогнозирования реакции микрочастиц, движущихся с заданной скоростью. Пока что команда экспериментировала только с чистыми металлами. В следующем исследовании они будут включать сплавы и другие материалы. Кроме того, они будут анализировать столкновения под разными углами, а не только удары под прямым углом, проверенные до сих пор.