Microscopisch kleine deeltjes die met hoge snelheid op een oppervlak botsen, veroorzaken erosie van het materiaal. Nieuw onderzoek van MIT laat zien dat dit soms komt doordat het materiaal smelt.

Wat gebeurt er als microscopisch kleine metaaldeeltjes met een rotvaart op een metaaloppervlak botsen? Dat is de grote vraag waar onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) zich op stortten. Inslagen van deeltjes op een vast oppervlak zijn namelijk een probleem op tal van terreinen: op de turbinebladen van windmolens veroorzaken inslaande deeltjes erosie, maar ook op satellieten en ander ruimtevaarttuig kunnen ze kwaad.

Aan de andere kant is meer fundamenteel begrip over inslaande deeltjes handig voor het verbeteren van allerlei industriële processen die zijn gebaseerd op een stroom van snelle deeltjes. Denk aan methodes voor het aanbrengen van coatings en het schoonmaken of snijden van materialen.
 

Smelten

Het nieuwe dat de MIT-ers vonden, is dat erosie bij hoge snelheden van de invallende deeltjes kan worden veroorzaakt door het smelten van het materiaal. Voorheen werd altijd gedacht dat uit het oppervlak stukjes vast materiaal werden weggeslagen.

Ze publiceerden de details van hun experimenten op 29 november in vaktijdschrift Nature Communications (gratis toegankelijk).


Experimenten

Het werk van de MIT-onderzoekers draait in de eerste plaats om experimenten en vervolgens goed kijken naar wat er gebeurt (persbericht). Ze bouwden een proefopstelling met een hogesnelheidscamera en vuurden kleine bolletjes tin – 10 µm groot – af op een tinoppervlak. De camera filmde het oppervlak van de zijkant, zie bijvoorbeeld de video hieronder. Door die beelden achteraf te analyseren, konden de onderzoekers allerlei snelheden voor en na de inslag van het bolletje berekenen. Ook konden ze uit de beelden de grootte van losbrekende fragmenten schatten.



In totaal deden ze 68 experimenten, waarbij ze de snelheid en de grootte van het tinbolletje varieerden en de snelheid van het terugkaatsende bolletje maten, evenals de grootte ervan (of van de fragmenten).


Tennisbal

Uit deze experimenten blijkt dat er verschillende processen optreden, afhankelijk van de snelheid van het afgevuurde bolletje tin. Gaat het bolletje ‘langzaam’ (minder dan 350 m/s, ongeveer de snelheid van het geluid), dan stuitert het terug van het tinoppervlak, als een tennisbal op een stenen vloer (zie hieronder, de bovenste fotoreeks).


De onderzoekers voerden nu de snelheid van het bolletje op, waarna bleek dat dit niet meer terugstuiterde, maar in zijn geheel bleef plakken aan het tinoppervlak (tweede fotoreeks van boven). Alsof je een kauwgombal heel hard tegen de vloer gooit, waarbij hij vervormt en blijft plakken.

De snelheid werd verder opgevoerd en in het derde regime (derde fotoreeks van boven) begint erosie van het materiaal op te treden. Vanaf een snelheid van 450 m/s is op de camerabeelden te zien dat er materiaal van het oppervlak afslaat. De onderzoekers merken op dat nog duidelijk flinke brokstukken te herkennen zijn.


Verpulverd tin

Het vierde en laatste regime dat de MIT-ers identificeerden – vanaf 900 m/s en sneller – laat een tinbolletje zien dat met zulk grof geweld op het oppervlak inslaat, dat een wolk van verpulverd tin opspat. De onderzoekers concluderen dat dit komt doordat het materiaal tijdens de botsing is gesmolten. Microscoopbeelden van de krater achteraf ondersteunen deze conclusie. In de rand van de krater zijn namelijk druppelvormige structuren te zien.

De analyse van de put is nog om een andere reden interessant. Uit microscoopbeelden blijkt dat er veel meer materiaal uit de put weg is, dan dat er aan de randen is opgestuwd (zie de figuur hieronder). Dat betekent dus dat er tin uit het vaste oppervlak in rook is opgegaan, bijna letterlijk. De MIT-ers berekenen deze hoeveelheid op minstens 116 µm3.

 


Kraters

Tot nu toe is het werk allemaal experimenteel van aard. Dat levert mooie beelden op van kraters die een beetje doen denken aan de restanten van meteorietinslagen op aarde. Maar om meer begrip op te doen – handig voor praktische toepassingen – hebben de onderzoekers ook een wiskundig model opgesteld, afgeleid uit de 68 experimenten die ze deden. Dat kan voorspellen bij welke deeltjessnelheid de overgangen zullen liggen tussen terugstuiteren, plakken en erosie.
 

Erosie voorspellen

Dit model is bruikbaar bij verschillende metalen en ingenieurs kunnen het gebruiken om te voorspellen vanaf welke snelheid en welke grootte van een deeltje de erosie begint. Dat is behoorlijk nuttig, bijvoorbeeld bij het ontwerpen van een coating die windturbinebladen moet beschermen.

In hun paper noemen de onderzoekers nog een onverwacht toepassingsgebied van hun werk: 3D-printen. Bij één van de vormen van 3D-printen spuugt een printkop namelijk duizenden bolletjes metaal per seconde uit. Ze schrijven: ‘Als je een additive manufacturing-techniek ontwerpt, dan is het wel nuttig om te weten bij welke snelheid een deeltje blijft plakken. Tegelijkertijd wil je het regime waarbij erosie optreedt, vermijden.’


Beeldmateriaal Hassani-Gangaraj et al., Nature Communications, 2018.