粒子が1km / sで移動して金属表面に当たるとどうなるのか？

・研究者は、微粒子衝撃プロセスの詳細な高速イメージングを実現しました。

・この研究により、表面と粒子の両方が速い速度で衝突すると溶融することが明らかになりました。

 

衝撃中に発生する高温、圧力、変形速度の組み合わせにより、ナノ結晶化、固体スプラッシュ、クレーター形成、異常な相変態、さまざまな化学反応など、さまざまな現象が引き起こされる可能性があります。

 

これらの中で最も一般的な現象は、衝撃によって引き起こされる侵食です。これは、宇宙（衛星を打ち砕く微小隕石など）や地上（たとえば、金属にコーティングが吹き付けられるなど）で頻繁に発生します。

 

プロセスに含まれる長さが短く、タイムスケールが短いため、現象の詳細はこれまで明確にされていませんでした。

 

近年、MITの研究者は、微粒子の衝撃プロセスを画像化して分析し、衝突後にどのように反応するか、つまり粒子が材料を表面から叩き落とすのか、跳ね返るのかを予測する実験を行いました。

 

単一粒子衝撃実験

実験は、チームはいくつかの小さな粒子（直径約10マイクロメートル）を選択し、それらを毎秒1067メートルまで加速し、平面の固体表面と衝突させました。

 

1067 m / sで移動する10μm粒子（左から入ってくる）の影響 | 研究者からの提供

 

実験ではこのプロセスで2つのレーザービームを使用しました。1つは粒子を加速するため（高速で粒子を放出する基板表面を瞬時に蒸発させることによる）、もう1つは表面に衝突したときに飛んでいる粒子を照らすためです。

 

衝突のプロセスは、毎秒1億フレームでビデオをキャプチャできる微粒子衝撃テストベッドを使用してリアルタイムで記録されました。

 

マイクロスケールでは、金属粒子は衝突速度が上がるにつれてターゲットとの相互作用を変化させます。

 

・非常に弱い衝撃（0.1 m / s未満）の場合、粒子は初期の運動エネルギーで跳ね返ります。

・わずかな衝撃速度（10 m / s未満）の場合、粒子は、ターゲットとそれ自体を塑性変形させながら、初期運動エネルギーの一部で跳ね返ります。

・より高い衝撃（約100 m / s）の場合、粒子はターゲットと接着結合を形成し、コーティングまたはバルク物質を構築します。

・さらに高い衝撃速度（1000 m / s以上）では、材料の損失が発生する可能性があります。 衛星や宇宙船などに損傷を与える可能性があります。

 

衝撃領域を走査型電子顕微鏡で観た写真 | 研究者からの提供

 

なぜ重要なのか?

これまでの研究は、死後検査のみに頼っていました。 したがって、侵食を引き起こすのに必要な条件および衝撃誘起侵食の詳細なメカニズムは、よく理解されていません。 高速イメージングは、表面と粒子の両方がある程度高衝撃速度で溶融することを明らかにしました。

 

今日、高速粒子は、表面の洗浄、コーティングの塗布、材料の切断など、さまざまな産業で使用されています。 私たちはプロセスの基礎となる物理学を知らなくても、これらのプロセスを管理しています。

 

業界標準に従うと、より高い影響速度がより良い成果をもたらすと考えられていました。 しかし、この研究はこれが常に当てはまらないことを示しています。 実際、コーティングの品質と強さは超音速速度になると急激に低下します。

 

研究者らは、これらの実験から得られたデータを使用して、一定の速度で移動する微粒子の応答を予測するための一般的なモデルを構築しました。

 

これまで、チームは純粋な金属のみ実験しました。 次の研究では、合金や他の材料も実験する予定です。 また、これまでにテストされた正しい角度の影響ではなく、さまざまな角度での衝突を分析していきます。