@ 2018.12.03 , 13:00

科学家首次拍摄到高速微粒撞击金属表面的瞬间

即便你不是工程师或物理学博士,凭生活经验也能意识到,如果微小的颗粒——哪怕是一粒灰尘甚至是微小的液滴——获得足够高的速度,也足以破坏掉坚硬的金属表面。

但到目前为止,一直存在着一个问题,科学家也不清楚这种撞击过程中都会发生些什么。那是因为,首先微粒要真的足够微小——这也是实验的基本条件,而同时要想实现“鸡蛋打破石头”的效果,微粒的速度又必须特别特别的大。

现在,麻省理工学院的研究人开发出了一种能够捕捉到更高速运动的摄像机,并且具有足够的放大倍率,可以完整记录下撞击瞬间——现在我们终于眼见为实——颗粒以超高速撞击到金属表面,实际上在微小局部产生了高温,使金属发生熔化。

科学家表示,如果单纯从先前的侵蚀理论研究出发,这些都是“无法预料的”情景。

实际上,高速微粒对我们的生活很有用,它们在生产作业中可被用来侵蚀/涂覆/清洁固体的表面,比如说表面喷砂处理就是一种这样的应用工艺。

但它们也可能很危险,就像击中了国际空间站的微陨,或是被吸进风力涡轮机的灰尘。

“我们希望搞清楚发生侵蚀过程的机制和确切条件。”麻省理工学院的工程师Mostafa Hassani-Gangaraj解释道。

因此,他和他的团队使用麻省理工学院开发的微粒冲击试验台进行了一系列实验。测试平台的帧速率高达1亿FPS,可以用令人难以置信的超高速度进行录制。

他们在装置上固定一块金属锡,然后使用激光轰击另一块锡。激光蒸发了表面上的原子,并在该过程中崩裂下微小的金属颗粒。锡颗粒直径约为10微米——约0.01毫米——以高达1公里/秒的速度撞向固定好的锡片。

他们同时借助激光来照明,以便清楚地记录下正在发生的事情。

这使得科学家第一次直接目睹了破坏发生的机制,而非像以往一样,通过撞击后检查表面的变化来推测。

您可以清楚地看到熔化的材料从撞击点溅出:

科学家首次拍摄到高速微粒撞击金属表面的瞬间

科学家首次拍摄到高速微粒撞击金属表面的瞬间
微粒撞击造成的侵蚀空洞(Hassani-Gangaraj et al.)

这些信息具有非常高的价值。它们可以帮助我们优化那些使用高速微粒作业的工业过程。以前,相关领域的研究人员曾经认为,更高的速度可以获得更好的结果。

现在,看过动态图的朋友都知道,实际情况并非总是如此——撞击速度过高,会导致底材的熔化,可能会使材料性质发生变化。

我们还从中得知,为什么灰尘微粒会损坏涡轮机、航天器和石油管道、火星上可怜的登陆车如何更好地抵御沙尘暴。有了这些新知识,工程师可以开发出更多抗腐蚀材料,用于空间和地面应用。

未来还需要更多的研究。因为该团队仅使用锡来完成实验,并采用了直入冲击角度。不同的材料——具有不同的硬度和熔点(锡非常低),以及不同的冲击角度———可能会带来不大一样的结果。

但是,我们第一次以如此直观的方式完成实验,证明该测试平台和实验装置可用于捕捉和分析撞击瞬间的物理过程,确实令人印象深刻。

他们的研究成果被发表在Nature Communications上。

本文译自 sciencealert,由译者 majer 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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