SMART - Ytspänning av metaller över förångningstemperatur

Ytspänningseffekter har utforskats i stor utsträckning. Effekterna på ytspänningen över förångningstemperaturen har det dock forskats mindre på. Fysikaliska teorier förutspår att ytspänningen är mycket låg vid förångningstemperatur. I praktiken ses emellertid ytspänningen vara närvarande, t.ex. under bearbetning med laserstråle, där ytspänningen verkar på förångande kapillärväggar.I metaller finns en stark bindning i flytande form, tack vare den starka metalliska elektronjonbindningsmekanismen. Därför kan ytspänningskrafter i flytande metaller vara höga. Vid ökade temperaturer leder termisk expansion till en separering av metalljonerna och elektronerna, vilket leder till en minskning av ytspänningsvärdena. Vid förångningstemperaturen för ett ämne är vätskans ångtryck lika med trycket runt det och förändras till ånga. Metalljonerna på den kokande materialytan förångas och omvandlas till gas. Metallkokning är en komplex process och påverkan av materialförlust från ytan på ytspänningen är ännu inte helt klarlagd.

Syftet med projektet är därför att förklara de fysiska effekterna som påverkar förångningsytans ytspänning. Det kommer att undersökas hur ytan reagerar på förlusten av förångade partiklar och hur detta påverkar ytspänningen. Hypotesen är att ytspänningen omedelbart återupprättas av atomskikten under de /de förångade lagret/lagren.

Målet med att beskriva ytspänningen vid kokande metallytor kommer att nås med teoretiska modeller, experimentell validering och testning. Den teoretiska modellen kommer att beräkna materialindunstningsgraden baserat på ytans temperaturfält och de verkande krafter som bestämmer ytspänningen med hänsyn till krafterna mellan atomskikten. De härledda massförlusterna indikerar det tidsbestämda avlägsnandet av metalljoner och de relaterade ytspänningsvärdena.

Då mätning av materialegenskaper vid förångande ytor för närvarande inte är möjlig och antaganden/extrapoleringar måste göras för materialsimuleringar eller ablationsberäkningar för kokande ytor, föreslås en ny metod med användning av högeffekt-lasrar för en kontrollerad droppbildning av material vid höga temperaturer i kombination med högupplöst höghastighetsavbildning.

Experimentell testning av fallande droppar som är upplyst av en laserstråle kommer att användas för mätning av ytspänning. Smältpölens rörelse kommer att indikera ytspänningen på platser som förångas jämfört med ickeförångande ytor. Olika material vid olika temperaturer testas för att börja skapa en databas med materialegenskaper vid hög temperatur. Tekniken utlovar ny inblick i beteende och egenskaper hos metallmaterial vid höga temperaturer. Resultaten kommer att vara värdefulla för många materialtestningsprocesser och processer med användning av lasrar, t.ex. under svetsning, borrning, skärning eller ytstrukturering. Dessutom kommer mätning av små mängder material att uppnås. Arbetet kommer att bedrivas under fyra år på Luleå tekniska universitet, organiserat i fyra arbetspaket. Handledning av en doktorand ingår.

Projektet kommer att bidra till den allmänna kunskapen om de faktiska värdena på ytspänning av metaller vid förångning av ytor och utvidga teorierna om effekterna på förångande ytor. Dessutom kommer resultaten av metoderna ge ny inblick i beteende och egenskaper hos metallmaterial vid höga temperaturer. Resultaten kommer att vara värdefulla för många materialtestningsprocesser och processer med användning av lasrar, t.ex. under svetsning, borrning, skärning eller ytstrukturering. Dessutom kommer mätning av små mängder material att uppnås.