[论文解读] Supersonic Microparticle Impact Experiments at Temperatures Approaching 2000 °C

Jamshid Ochilov, Isaac Faith Nahmad+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2026

High-Velocity Impact and Material Behavior被引用 0

一句话总结

论文报道了一种激光驱动的 LIPIT 平台，能够将微粒加速至超音速并在高达 ~2000 °C 的环境下对 heated targets 进行撞击，既可在大气中也可在真空中进行，并以超细 POCO 石墨为演示对象。

ABSTRACT

Experiments at extreme strain rates and temperatures are critical for characterizing materials in high-speed applications. In this study, we develop a laser-driven particle impact platform capable of accelerating microparticles to supersonic velocities and impacting targets heated to temperatures approaching 2000 °C. The conventional laser-induced particle impact testing (LIPIT) system has been modified to enable high-temperature experiments through the integration of a resistive heating system and the development of a robust launch pad assembly suitable for accelerating particles in high-temperature environments. To eliminate the oxidation of materials at elevated temperatures, an optically accessible portable vacuum chamber has been developed and integrated into the setup. The capabilities of the system are demonstrated through a study of the temperature dependent particle impact cratering behavior of POCO graphite. With this new platform, high-velocity, high-temperature impact experiments can be performed in a controlled environment, supporting the investigation of materials under extreme conditions.

研究动机与目标

• 在适用于高超音速、涡轮与推进环境的同时高应变率与高温条件下理解材料行为。
• 将 LIPIT 能力扩展到超高温度与高真空/惰性环境，以解耦氧化与温度效应。
• 开发高吞吐、鲁棒的发射垫与加热系统，适用于微米级颗粒与多样材料。
• 以石墨案例研究来演示系统能力，以表征温度相关的坑坑形貌和损伤机制。

提出的方法

• 开发带有电阻加热靶的激光驱动 LIPIT 设置，以及能够承受超高温的金属箔发射垫。
• 使用 Q-switched Nd:YAG 激光产生烧蚀驱动的约束压力并将 60–100 µm 粒子加速至高速度。
• 采用铝或铜金属箔作为膨胀/驱动层，与玻璃基底粘接以实现高温工作。
• 纳入可光学访问的真空腔，以便在真空或惰性气体环境下进行实验并尽量减少氧化。
• 使用两台对 POCO 石墨电阻加热进行标定的红外热像仪来测量靶表面温度。
• 以 10 Mfps 的高速相机和 640 nm 照明捕捉撞击过程中的坑坑形成与喷射物以解析坑坑与喷射。
• 通过 COMSOL 仿真对加热与温度测量进行标定，将电流与表面温度联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 设计用于在空气与真空中进行超高温微粒撞击的 LIPIT 系统的能力与局限性是什么？
• RQ2 在高温条件下，坑坑形貌、穿透深度与喷射物在微米至亚 100 µm 粒子上的变化如何？
• RQ3 是否能够将氧化与温度效应解耦，从而在极端条件下 isolating 纯热/机械材料响应？
• RQ4 在极端温度下实现更高撞击速度的实际极限（如电极变形、箔体破裂等）是什么？
• RQ5 随着温度升高，目标材料（石墨 POCO ZXF-5Q）的坑坑深度与表面粗糙度的响应如何？

主要发现

• 系统能够将微米级粒子加速到超音速，并且在真空中对靶体加热至 1740 °C，观察到明确的坑坑及表面形貌变化。
• 在大气条件下，一个 60 µm 所用的氧化铝颗粒在 465 m/s 冲击后在 1740 °C 石墨靶上反弹至 185 m/s，显示出高温撞击能力。
• 真空实验在不到 6 秒内达到 1740 °C，粒径为 60 µm 的粒子撞击后分析显示坑表面经过抛光且氧化影响最小。
• 在 1040 °C 时，石墨的坑坑深度增加至 15.2 µm（室温为 7.3 µm），表明温度增强的损伤机制和短时加热下的氧化影响。
• 真空压力低至 5×10^-4 mbar，可实现无氧化的高温测试；极高温度下钨电极的变形限制了最终温度与对准。
• 一种简单、可织造的发射垫，采用玻璃环氧树脂-金属箔堆叠结构，可在更高温下工作并支持更大粒子/更致密材料而不易碎裂，从而提高吞吐量。