康奈尔大学的研究人员发现，工业制造过程中使用的金属颗粒在特定的超音速下结合效果最好。在 3 月 31 日发表于《美国国家科学院院刊》的一项研究中，科学家发现，结合强度并不像之前假设的那样随着速度的增加而持续提高。相反，铝颗粒在约 1,060 米/秒时表现出峰值结合强度，而结合质量在更高速度下会下降。
助理教授 Mostafa Hassani（左）和博士生 Qi Tang 利用定制的激光光学平台发射超音速微弹，并研究高速金属碰撞如何形成固态键。（图片来源：康奈尔大学）
研究团队由康奈尔大学工程学院的 Mostafa Hassani 教授领导，他们使用微弹发射台将铝粒子以超音速发射到铝表面。高速摄像机捕捉到这些 20 微米粒子以高达每秒 1,337 米的速度撞击铝表面的画面。在最高速度下，这些粒子几乎完全不粘附在铝表面上。
“这完全出乎意料，”哈萨尼说。“我们原本的预期是，速度越高，粘合质量就越好。这项研究表明，事实上，粘合强度有一个峰值，速度越高并不一定意味着强度越高。”
研究人员认为“强化弹性恢复”是极端速度下键合力减弱的原因。当表面材料以弹性应变的形式储存更多能量而不是通过变形吸收能量时，就会发生这种现象，导致颗粒在撞击后反弹并损坏界面。
主要作者 Qi Tang 解释了其工业意义：“以前，工业界人士可能推测侵蚀是由快速移动的粒子穿过基材表面或界面熔化引起的。但现在我们发现，当粒子速度超高时，反弹趋势的增加会导致先前粘合的粒子分离，从而阻止材料积聚。”
虽然这项研究专门针对铝，但研究人员认为该机制会影响所有金属和合金。该研究结果有助于优化冷喷涂和增材制造工艺，确定实现最大结合强度的理想粒子速度。该研究得到了国家科学基金会、日本科学技术振兴署和日本学术振兴会的支持。
来源：news.cornell.edu
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