[論文レビュー] Supersonic Impact of Metallic Micro-particles

Mostafa Hassani-Gangaraj, David Veysset+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 23, 2016

Particle Dynamics in Fluid Flows参考文献 24被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、超高速撮影と有限要素シミュレーションを用いて、金属微粒子が基板に衝突する際の超音速衝撃を調査し、物質の飛散および付着が、体積音速に比例する臨界速度閾値に依存することを明らかにした。研究結果は、せん断局在化や融解ではなく、圧力波の伝播が飛散を駆動することを示し、微粒子系における衝撃誘発付着に関する長年の疑問を解消した。

ABSTRACT

Understanding material behavior under high velocity impact is the key to addressing a variety of fundamental questions in areas ranging from asteroid strikes and geological cratering to impact-induced phase transformations, spallation, wear, and ballistic penetration. Recently, adhesion has emerged in this spectrum since it has been found that micrometer-sized metallic particles can bond to metallic substrates under supersonic-impact conditions. However, the mechanistic aspects of impact-induced adhesion are still unresolved. Here we study supersonic impact of individual metallic microparticles on substrates with micro-scale and nanosecond-level resolution. This permits the first direct observation of a material-dependent threshold velocity, above which the particle undergoes impact-induced material ejection and adheres to the substrate. Our finite element simulations reveal that prevailing theories of impact-induced shear localization and melting cannot account for the material ejection. Rather, it originates from the propagation of a pressure wave induced upon impact. The experiments and simulations together establish that the critical adhesion velocity for supersonic microparticles is proportional to the bulk speed of sound.

研究の動機と目的

• 金属微粒子における衝撃誘発付着のメカニズム的基盤を理解すること。
• 超音速衝突下における粒子飛散および基板への結合のための臨界速度閾値を特定すること。
• せん断局在化や融解という従来の理論と、観察された付着行動との不一致を解消すること。
• 音速を含む物性と付着閾値との間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• 微粒子衝突のリアルタイム撮影を可能にする、マイクロスケールおよびナノ秒レベルの時間分解能を有する超高速撮影。
• 衝突時の応力および圧力波の伝播をモデル化するための有限要素シミュレーション。
• 衝突速度および材料種の系統的変更により、閾値行動を同定すること。
• せん断局在化および融解の理論的モデルと、実験的観察を比較すること。
• 音速を付着閾値の予測パラメータとして用いること。
• 圧力波ダイナミクスの分析により、物質飛散メカニズムを説明すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どの材料に対しても、微粒子が物質を飛散させ、基板に付着する臨界速度閾値は何か？
• RQ2 なぜ一部の金属微粒子は超音速衝突で付着するのに対し、他の微粒子はしないのか？
• RQ3 高衝突速度下での物質飛散を引き起こす物理的メカニズムは何か—せん断バンド、融解、それとも圧力波伝播か？
• RQ4 臨界付着速度は、物性の内在的特徴とどのようにスケーリングするか？
• RQ5 観察された付着行動は、衝撃誘発相変化または剥離に関する既存理論で説明可能か？

主な発見

• 微粒子が物質を飛散させ、基板に結合するための臨界付着速度が存在し、この閾値は材料に依存する。
• 臨界付着速度は、せん断または融解閾値ではなく、材料の体積音速に比例する。
• 衝突時の圧力波伝播が物質飛散を主導するメカニズムであり、せん断局在化や局所的融解ではない。
• 有限要素シミュレーションにより、応力波が観察された飛散ダイナミクスを説明するのに対し、熱的または塑性流動メカニズムではないことが確認された。
• 実験およびシミュレーション結果は、飛散をせん断帯や融解に起因するとする従来の理論と矛盾する。
• 研究結果は、弾性波伝播および物質の音速に基づく、衝撃誘発付着の新たな予測フレームワークを確立した。