Mechanics of flow/solidification of droplet and deformation/fracture of coating

液滴流动/凝固与涂层变形/断裂的力学

基本信息

批准号：
21H01206
负责人：
阪口基己
金额：
$ 11.15万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

溶射は，溶融させた材料粒子を基材表面に吹き付けて衝突，急速冷却，凝固，堆積させるコーティング手法である．成膜された皮膜には割れや剥離といった損傷が基本問題としてつきまとい，この損傷は溶射時に発達する残留応力に大きく左右される．ただ，溶融した単一粒子が基材に衝突して急冷凝固する過程は時間と寸法のスケールが小さく，その過程で発達する残留応力を実測した例はない．本研究では，溶射プロセスをモデル化した溶融パラフィンの滴下実験により，基材に衝突した液滴の流動・凝固・密着過程での残留応力の発達挙動を可視化するとともに，凝固した皮膜の割れや剥離といった破壊現象に滴下条件が与える影響を解明することを目的とした．今年度は，まず，これまでの試作装置を基に，新しい滴下装置を作製した．この装置では，マイクロメータを改良したバルブによって吐出口を開閉して滴下量を制御し，滴下高さを変えることで基材への衝突速度を制御できるようにした．基材は循環冷却機能を持つ恒温槽の中に設置することで予熱温度を制御できるようにした．滴下実験装置の製作と並行して，5種類のパラフィンの物性を測定した．融点や熱伝導率，比熱，潜熱などの熱物性，動粘性係数や表面張力係数，接触角などの流体物性を測定した．また，パラフィン試験片に対して，試験温度を変化させた引張試験とクリープ試験を行い，それぞれの温度での応力ひずみ曲線，クリープ曲線，引張強度を取得した．つぎに，作製した滴下装置を用い，6つの実験変数を個別に変化させた滴下実験を行った．液滴のリコイル挙動や凝固速度，凝固後の形状など，流動・凝固の素過程に実験変数が与える影響を明らかにするとともに，基材裏面に発生するひずみの時間変化を計測した．滴下実験では，液滴が凝固する過程でのパラフィン皮膜の割れや剥離挙動を観察し，これらの破壊現象に与える6つの実験変数の影響を評価した．

热喷涂是一种涂料技术，其中将熔融材料颗粒喷在基板的表面上以碰撞，快速冷却，凝固和沉积。基本的问题是，薄膜形成的损坏（例如开裂和剥离）持续存在，这种损害受到在热喷涂过程中产生的残留应力的极大影响。然而，快速巩固熔融单个颗粒与底物和固化迅速固化的过程在时间和大小上很小，而且从来没有实际测量了该过程中出现的残余应力。这项研究旨在使用以热喷涂过程建模的掉落实验，可视化流动过程中残留应力的发展，与基板碰撞的液滴的固体化和粘附，并阐明掉落条件对裂缝现象的影响，例如固体涂层的破裂和剥离。今年，我们首先基于以前的原型设备创建了一个新的滴灌设备。在此设备中，使用改进的千分尺阀打开并关闭放电端口，以控制滴水量，并且通过更改滴水高度，可以控制与基板的碰撞速度。底物安装在具有循环冷却功能的恒温室中，从而可以控制预热的温度。与掉落的实验设备的制造同时，测量了五种类型的石蜡的物理特性。测量了诸如熔点，导热点，比热，潜热和流体特性（例如运动粘度系数，表面张力系数和接触角）之类的热性能。此外，在石蜡样品上使用不同的测试温度进行了拉伸测试和蠕变测试，并在每个温度下获得应力应变曲线，蠕变曲线和拉伸强度。接下来，我们进行了一个滴水实验，其中使用准备好的滴灌设备单独更改了六个实验变量。还确定了实验变量对流量和凝固元件过程的影响，例如液滴的后座行为，凝固速率和凝固后的形状，并测量了固化后的形状，并测量了基板背面产生的应变的时间变化。在掉落实验中，我们观察到固化液滴过程中石蜡涂层的破裂和剥离行为，并评估了六个实验变量对这些破坏现象的影响。