La vidéo de l'impact d'une particule de 10 micromètres (venant de la gauche) voyageant à plus de 1 km/sec montre clairement les éclaboussures de matière en fusion depuis la surface au moment de l'impact. Ce type d'érosion par impact a été clairement observé pour la première fois dans cette étude du MIT. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Lorsque de minuscules particules frappent une surface métallique à grande vitesse, par exemple, en tant que revêtements pulvérisés ou en tant que micrométéorites frappant une station spatiale - le moment de l'impact se produit si rapidement que les détails du processus n'ont pas été clairement compris, jusqu'à maintenant.
Une équipe de chercheurs du MIT vient de réaliser la première imagerie et analyse détaillée à grande vitesse du processus d'impact des microparticules, et utilisé ces données pour prédire quand les particules rebondiront, coller, ou faire tomber le matériau de la surface et l'affaiblir. Les nouvelles découvertes sont décrites dans un article paru aujourd'hui dans la revue Communication Nature .
Mostafa Hassani-Gangaraj, un post-doctorant du MIT et l'auteur principal de l'article, explique que les impacts de microparticules à grande vitesse sont utilisés à de nombreuses fins dans l'industrie, par exemple, pour l'application de revêtements, nettoyer les surfaces, et des matériaux de coupe. Ils sont appliqués dans une sorte de version surpuissante du sablage qui propulse les particules à des vitesses supersoniques. Un tel sablage avec des microparticules peut également être utilisé pour renforcer les surfaces métalliques. Mais jusqu'à présent, ces processus ont été contrôlés sans une solide compréhension de la physique sous-jacente du processus.
"Il y a beaucoup de phénomènes différents qui peuvent avoir lieu" au moment de l'impact, Hassani-Gangaraj dit, mais maintenant, pour la première fois, les chercheurs ont découvert qu'une brève période de fusion lors de l'impact joue un rôle crucial dans l'érosion de la surface lorsque les particules se déplacent à des vitesses supérieures à un certain seuil.
C'est une information importante car la règle de base dans les applications industrielles est que des vitesses plus élevées conduiront toujours à de meilleurs résultats. Les nouvelles découvertes montrent que ce n'est pas toujours le cas, et "nous devons être conscients qu'il y a cette région à l'extrémité supérieure" de la gamme des vitesses d'impact, où l'efficacité du revêtement (ou du renforcement) diminue au lieu de s'améliorer, dit Hassani-Gangaraj. "Pour éviter cela, nous devons être capables de prédire" la vitesse à laquelle les effets changent.
Les résultats peuvent également éclairer des situations où les impacts sont incontrôlés, comme lorsque des particules transportées par le vent frappent les pales des éoliennes, lorsque des microparticules frappent des engins spatiaux et des satellites, ou lorsque des morceaux de roche et de gravier entraînés dans un flux de pétrole ou de gaz érodent les parois des pipelines. "Nous voulons comprendre les mécanismes et les conditions exactes dans lesquelles ces processus d'érosion peuvent se produire, ", dit Hassani-Gangaraj.
Cette micrographie électronique à balayage montre le cratère laissé par l'impact d'une particule de 10 micromètres se déplaçant à plus de 1 kilomètre par seconde. Les impacts à cette vitesse produisent une certaine fonte et érosion de la surface, comme le révèle cette recherche. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
Le défi de mesurer les détails de ces impacts était double. D'abord, les événements d'impact se produisent extrêmement rapidement, avec des particules voyageant à plus d'un kilomètre par seconde (trois ou quatre fois plus vite que les avions à réaction). Et deuxieme, les particules elles-mêmes sont si minuscules, environ un dixième de l'épaisseur d'un cheveu, que leur observation nécessite également un grossissement très élevé. L'équipe a utilisé un banc d'essai d'impact de microparticules développé au MIT, qui peut enregistrer des vidéos d'impact avec des fréquences d'images allant jusqu'à 100 millions d'images par seconde, pour effectuer une série d'expériences qui ont maintenant clairement délimité les conditions qui déterminent si une particule rebondira sur une surface, s'y tenir, ou éroder la surface en fondant.
Pour leurs expériences, l'équipe a utilisé des particules d'étain d'environ 10 micromètres (cent millièmes de mètre) de diamètre, accéléré à des vitesses allant jusqu'à 1 kilomètre par seconde et heurtant une surface en étain. Les particules ont été accélérées à l'aide d'un faisceau laser qui évapore instantanément une surface de substrat et éjecte les particules dans le processus. Un deuxième faisceau laser a été utilisé pour illuminer les particules volantes lorsqu'elles ont frappé la surface.
Les études précédentes s'étaient appuyées sur une analyse post-mortem, c'est-à-dire l'étude de la surface après l'impact. Mais cela n'a pas permis de comprendre la dynamique complexe du processus. Ce n'est que l'imagerie à grande vitesse qui a révélé que la fusion de la particule et de la surface a eu lieu au moment de l'impact, dans les cas à grande vitesse.
L'équipe a utilisé les données de ces expériences pour développer un modèle général permettant de prédire la réponse de particules d'une taille donnée se déplaçant à une vitesse donnée, dit David Veysset, chercheur au MIT et co-auteur de l'article. Jusque là, il dit, ils ont utilisé des métaux purs, mais l'équipe prévoit d'autres tests en utilisant des alliages et d'autres matériaux. Ils ont également l'intention de tester les impacts à une variété d'angles autres que les impacts directs testés jusqu'à présent. "Nous pouvons étendre cela à toutes les situations où l'érosion est importante, ", dit-il. L'objectif est de développer "une fonction qui peut nous dire si l'érosion se produira ou non."
Cela pourrait aider les ingénieurs « à concevoir des matériaux de protection contre l'érosion, que ce soit dans l'espace ou au sol, partout où ils veulent résister à l'érosion, " dit Veysset.
"Les auteurs explorent un nouveau régime d'impact à grande vitesse dans lequel les particules d'impact fondent réellement, " dit H. Jay Melosh, professeur de physique et d'ingénierie aérospatiale à Purdue University et spécialiste des impacts, qui n'a pas participé à cette étude. Il ajoute, "Dans ce régime, ils peuvent ajouter de la matière provenant des particules d'impact ainsi qu'éroder la cible. Cela peut éventuellement trouver une application technologique, mais le travail présenté dans l'article est principalement une analyse de la mécanique de l'impact et donne une évaluation quantitative de la quantité de cible (substrat) érodée en fonction de la vitesse d'impact."
Meloch dit, « Le travail expérimental est de très haute qualité. … Je pourrais imaginer qu'il pourrait avoir des applications à certains types de fraisage de surface, similaire au sablage mais plus agressif que cette méthode."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
