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麻省理工新发现:金属粘结机制

2017年11月27日 11:53  材料科技在线  本站  人气:646

  当把两块金属粘在一块时,金属必须熔化一点,或者必须在两块金属之间引入一些熔化的金属。当金属再次凝固时,就形成了一种固态的化学键。但麻省理工学院的研究人员发现,在某些情况下,熔化实际上可以抑制金属成键,而不是促进金属结合。

  这一令人惊讶的发现可能会对某些涂层工艺的设计或3d打印技术产生严重的影响,因为这两者都需要材料粘在一起并保持这种状态。

  相关工作是由博士后Mostafa Hassani-Gangaraj 和 David Veysset,以及Keith Nelson和 Christopher Schuh教授共同展开研究的,他们的研究成果已经发表在物理快报和材料快报。

  Schuh是Danae 和 Vasilis Salapatas的冶金学教授,也是材料科学与工程系主任。他解释道:其中一篇论文阐述了“这项技术的革命性进展”,可便于观察极其高速的相互作用,而另一篇则是利用高速成像技术揭示了由金属离子所引起的融化会阻碍成键。

  使用由Veysset开发的光学设备,其应用了16个独立的充电设备(CCD)成像芯片,并能在3纳秒内记录图像。这款相机的速度非常之快,它可以追踪以超音速速度喷射到一个表面上的单个粒子,这在以前是不可能实现的。该团队使用这台相机,每秒可以拍摄3亿帧,用于观察类似于在许多行业中应用的金属涂层喷漆过程。

  虽然这样的过程被广泛使用,但到目前为止,它们的特征是由经验决定的,因为过程本身太快了。Schuh说:“你看不见它,你不知道发生了什么,也没人能看到粒子撞击和粘着的那一瞬间,因此,当金属粒子撞击表面被包裹时,它们是否真的熔化了,一直存在争议。这项新技术意味着现在研究人员可以观察正在发生的事情,可以进行科学研究。”

  新图像清楚地表明,在某些条件下,在表面喷上的金属颗粒确实会熔化表面,而这出乎意料地阻止了它们的粘附。研究人员发现,这些粒子的反弹时间要比表面凝固的时间短得多,因此它们离开的表面仍然是熔化的。

  如果工程师发现涂层材料不能很好地粘合,他们可能倾向于增加喷雾速度或温度,以增加熔化的可能性。然而,得到的结果却恰恰相反:应该避免融化。

  结果表明,当撞击粒子和冲击表面保持固体状态时,最好的键合发生,但以液体的形式向外飞溅。根据Schuh的说法:“这是令人大开眼界的现象,这一现象存在于多种金属加工方法中,而现在把金属粘到金属上面了,我们需要在没有液体的情况下溅起水花,通过观察发现,固体的可以,液体的不会” Hassani-Gangaraj说:“通过精确的测量,我们可以找到诱发这种化学键所需的条件。”

  这些发现可用于涂覆发动机部件,以便重复使用磨损的部件,而不是将它们归入废金属回收箱。Schuh说:“将一台大型工程机械的旧发动机处理掉,会花费大量的资金,融化并重新铸造又会需要一大笔钱。相反,你可以把它洗干净,然后使用喷涂来更新表面,但这要求喷涂要安全可靠。”

  除了涂层之外,这项新技术还有助于设计一些基于金属的附加制造系统,即所谓的3d打印。这和涂层一样,确保一层印刷材料牢固地附着在上一层是至关重要的。

  Schuh说:“这项工作所承诺的是一种精确和数学的方法,以确定最佳的条件,以确保筋骨连接,这是通过数学精密计算的的,而不是单单凭经验的。”

(完)
 
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