Wanneer kleine deeltjes met hoge snelheid een metalen oppervlak raken, bijvoorbeeld als coatings die worden gespoten of als micrometeorieten die een ruimtestation beuken - het moment van impact gebeurt zo snel dat de details van het proces niet duidelijk zijn begrepen, tot nu.

Een team van onderzoekers van MIT heeft zojuist de eerste gedetailleerde high-speed beeldvorming en analyse van het impactproces van microdeeltjes voltooid, en gebruikte die gegevens om te voorspellen wanneer de deeltjes zullen wegkaatsen, stok, of stoot materiaal van het oppervlak en verzwak het. De nieuwe bevindingen worden beschreven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift verschijnt Natuurcommunicatie .

Mostafa Hassani Gangaraj, een MIT-postdoc en de hoofdauteur van de paper, legt uit dat inslagen van microdeeltjes met hoge snelheid voor veel doeleinden in de industrie worden gebruikt, bijvoorbeeld, voor het aanbrengen van coatings, oppervlakken reinigen, en snijmaterialen. Ze worden toegepast in een soort superkrachtige versie van zandstralen die de deeltjes met supersonische snelheden voortstuwt. Dergelijk stralen met microdeeltjes kan ook worden gebruikt om metalen oppervlakken te versterken. Maar tot nu toe werden deze processen gecontroleerd zonder een goed begrip van de onderliggende fysica van het proces.

"Er zijn veel verschillende fenomenen die kunnen plaatsvinden" op het moment van impact, Hassani-Gangaraj zegt, maar nu hebben de onderzoekers voor het eerst ontdekt dat een korte periode van smelten bij impact een cruciale rol speelt bij het eroderen van het oppervlak wanneer de deeltjes bewegen met snelheden boven een bepaalde drempel.

Dat is belangrijke informatie, want de vuistregel in industriële toepassingen is dat hogere snelheden altijd tot betere resultaten zullen leiden. De nieuwe bevindingen tonen aan dat dit niet altijd het geval is, en "we moeten ons ervan bewust zijn dat deze regio zich aan de bovenkant bevindt" van het bereik van impactsnelheden, waar de effectiviteit van de coating (of versteviging) afneemt in plaats van verbetert, Hassani-Gangaraj zegt. "Om dat te voorkomen, we moeten de snelheid kunnen voorspellen waarmee de effecten veranderen.

De resultaten kunnen ook licht werpen op situaties waarin de effecten ongecontroleerd zijn, zoals wanneer door de wind meegevoerde deeltjes de bladen van windturbines raken, wanneer microdeeltjes ruimtevaartuigen en satellieten raken, of wanneer stukjes steen en gruis meegevoerd in een stroom van olie of gas de wanden van pijpleidingen eroderen. "We willen de mechanismen en exacte omstandigheden begrijpen wanneer deze erosieprocessen kunnen plaatsvinden, ' zegt Hassani Gangaraj.

De uitdaging om de details van deze effecten te meten was tweeledig. Eerst, de impactgebeurtenissen vinden extreem snel plaats, met deeltjes die met een snelheid van meer dan één kilometer per seconde reizen (drie of vier keer sneller dan passagiersvliegtuigen). En ten tweede, de deeltjes zelf zijn zo klein, ongeveer een tiende van de dikte van een haar, dat het observeren ervan ook een zeer hoge vergroting vereist. Het team gebruikte een microdeeltjes impact testbed ontwikkeld aan het MIT, die impactvideo's kan opnemen met framesnelheden tot 100 miljoen frames per seconde, om een ​​reeks experimenten uit te voeren die nu duidelijk de voorwaarden hebben afgebakend die bepalen of een deeltje van een oppervlak zal weerkaatsen, vasthouden aan het, of het oppervlak eroderen door smelten.

Voor hun experimenten, het team gebruikte tindeeltjes van ongeveer 10 micrometer (honderdduizendsten van een meter) in diameter, versneld tot snelheden tot 1 kilometer per seconde en een tinnen oppervlak raken. De deeltjes werden versneld met behulp van een laserstraal die een substraatoppervlak onmiddellijk verdampt en de deeltjes in het proces uitwerpt. Een tweede laserstraal werd gebruikt om de vliegende deeltjes te verlichten toen ze het oppervlak raakten.

Eerdere studies waren gebaseerd op post-mortemanalyse - het bestuderen van het oppervlak nadat de impact heeft plaatsgevonden. Maar dat gaf geen inzicht in de complexe dynamiek van het proces. Het was alleen de hogesnelheidsbeeldvorming die onthulde dat het smelten van zowel het deeltje als het oppervlak plaatsvond op het moment van inslag, in de hogesnelheidsgevallen.

Het team gebruikte de gegevens van deze experimenten om een ​​algemeen model te ontwikkelen om de reactie te voorspellen van deeltjes van een bepaalde grootte die met een bepaalde snelheid reizen, zegt David Veysset, een stafonderzoeker bij MIT en co-auteur van het papier. Tot dusver, hij zegt, ze hebben zuivere metalen gebruikt, maar het team plant verdere tests met legeringen en andere materialen. Ze zijn ook van plan om botsingen onder verschillende hoeken te testen, anders dan de tot nu toe geteste rechte botsingen. "We kunnen dit uitbreiden naar elke situatie waar erosie belangrijk is, " zegt hij. Het doel is om "één functie te ontwikkelen die ons kan vertellen of erosie zal plaatsvinden of niet."

Dat zou ingenieurs kunnen helpen "materialen te ontwerpen voor erosiebescherming, of het nu in de ruimte is of op de grond, overal waar ze erosie willen weerstaan, ' zegt Veysset.

"De auteurs onderzoeken een nieuw regime van high-speed impact waarin de inslaande deeltjes daadwerkelijk smelten, " zegt H. Jay Melosh, een professor in de natuurkunde en lucht- en ruimtevaarttechniek aan de Purdue University en een specialist op het gebied van impacts, die niet bij dit onderzoek betrokken was. Hij voegt toe, "In dit regime kunnen ze materiaal van de botsende deeltjes toevoegen en het doelwit eroderen. Dit kan uiteindelijk een technologische toepassing vinden, maar het werk dat in het artikel wordt gepresenteerd, is voornamelijk een analyse van de impactmechanica en geeft een kwantitatieve beoordeling van hoeveel van het doelwit (substraat) wordt geërodeerd als een functie van de impactsnelheid."

Melosh zegt, "Het experimentele werk is van zeer hoge kwaliteit. ... Ik kan me voorstellen dat het toepassingen kan hebben voor sommige soorten oppervlaktefrezen, vergelijkbaar met zandstralen, maar agressiever dan die methode."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.