超音速微弹丸揭示金属键合的新见解
康奈尔大学的研究人员利用定制机器以超音速发射微型弹丸，发现了高速金属碰撞如何形成坚固耐用的原子键的新细节，为增强 3D 打印和其他制造技术提供了新的见解。当微粒以超音速与金属基材碰撞时，就会发生一种称为固态键合的过程，其中两种金属在原子水平上结合在一起。虽然人们对键合条件了解得比较清楚，但这些高速碰撞中形成的微观结构和材料特性大多仍未得到表征。
《自然通讯》发表的一项研究在微米尺度上详细描述了超音速撞击界面上原子键的强度和梯度，并提出了预测固态键合结果的框架。
“这标志着我们对冲击诱导粘合中工艺-微观结构-性能关系的理解发生了范式转变，”资深作者、西布利机械与航空航天工程学院和材料科学与工程系助理教授 Mostafa Hassani 说道。“这些发现将使依赖超音速冲击粘合的表面改性、修复和增材制造技术的设计可靠且以性能为导向。”
超音速 3D 打印，又称“冷喷涂”，无需加热或熔化即可生产材料，与传统制造工艺相比，其机械性能更优异。这些优势使其特别适合航空航天和能源领域的结构应用。
为了实现固态键合，研究人员建造了一个激光诱导发射平台，能够精确地将微米级铝颗粒加速到 2200 英里/小时以上，朝着铝基板发射。撞击后，使用扫描电子显微镜进行微机械拉伸测试，以直接测量撞击界面不同位置的键合强度。
研究表明，键合强度并不均匀，而是从撞击中心到边缘存在显著差异。特别是，在撞击中心处存在较弱的键合，随后键合强度迅速增加两倍，最终向外边缘趋于稳定。
Hassani 表示：“一个关键的发现是，界面处原生氧化物的形式（无论是层、颗粒还是碎片）决定了局部结合强度的水平。具体来说，分散有氧化物碎片的区域比氧化物层基本完好的区域表现出更强的结合力。”
为了解释键合强度的变化，研究人员开发了一个预测模型，该模型考虑了两个主要因素：接触压力和表面暴露。当微粒撞击基材时，碰撞产生的剪切力会使氧化层破裂，从而暴露出更多的金属表面。同时，撞击产生的压力迫使这个新暴露的表面进入原子级接近，从而形成牢固的金属键。
“这种理解为调整界面特性和设计冲击条件（如颗粒和基材、颗粒大小、速度和温度）开辟了新的可能性，以增强结合和界面强度，”该研究的主要作者、博士生齐唐说。
“它还提供了防止粘合的见解。例如，设计表面材料结构以防止超音速太空尘埃撞击粘合到航天器防护罩或望远镜镜头上的污染。”
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