Imagerie rapide technique permettant d'étudier l'impact de baisse de la dynamique des fluides non-newtoniens

Déposez l'impact sur ​​une surface solide est un processus clé dans de nombreuses applications impliquant la fabrication électronique ^1, revêtement par pulvérisation ^2, et la fabrication additive utilisant impression jet d'encre ^3,4, où un contrôle précis de la chute d'étalement et les éclaboussures est souhaitée. Cependant, l'observation directe de l'impact de baisse est techniquement difficile pour deux raisons. Tout d'abord, il s'agit d'un processus dynamique complexe qui se produit dans un délai trop court (~ 100 ps) à imager facilement par les systèmes d'imagerie conventionnelles, comme des microscopes optiques et appareils photo reflex numériques. La photographie au flash peut image cours de beaucoup plus rapide, mais ne permet pas pour l'enregistrement continu, tel que requis pour une analyse détaillée de l'évolution dans le temps. Deuxièmement, l'échelle de longueur induite par l'instabilité de l'impact peut être aussi petite que 10 um ^5. Par conséquent, pour étudier quantitativement le processus de l'impact d'un système qui combine l'imagerie ultra-rapide avec une résolution spatiale relativement élevée est souventsouhaitée. En l'absence d'un tel système, les premiers travaux sur l'impact des gouttelettes essentiellement porté sur la déformation géométrique mondial après l'impact ^6-8, mais a été incapable de recueillir des informations sur les premiers temps, les processus hors équilibre associés à l'impact, tels que l'apparition d'éclaboussures. Les progrès récents dans le CMOS haute vitesse vidéographie de fluides ^9,12 ont poussé le taux de trame jusqu'à un million de fps et temps d'exposition bas en dessous de 1 ps. En outre, les techniques d'imagerie CCD nouvellement développés peuvent pousser le taux de trame bien au-dessus d'un million d'images par seconde ^9-12. La résolution spatiale d'un autre côté, peut être augmentée à l'ordre de 1 um / pixel en utilisant des loupes ^12. En conséquence, il est devenu possible d'explorer en détail sans précédent de l'influence d'un grand nombre de paramètres physiques sur divers stades de l'impact de chute et de comparer systématiquement expérience et la théorie ^5,13-16. Par exemple, la transition de projections dans les fluides newtoniens était foue à fixer par la pression atmosphérique ^5, tandis que la rhéologie intrinsèque décide la dynamique de propagation de fluides rendement-stress ^17.

Ici encore puissante technique d'imagerie rapide simple est proposée et appliquée pour étudier la dynamique de l'impact des deux types de fluides non-newtoniens: métaux liquides et suspensions denses. Avec l'exposition à l'air, essentiellement tous les métaux liquides (sauf le mercure) spontanément développer une pellicule d'oxyde sur leur surface. Mécaniquement, la peau se trouve à modifier la tension superficielle effective et la capacité de mouillage des métaux ^18. Dans un précédent article ^15, plusieurs auteurs ont étudié le processus d'étalement quantitativement et étaient en mesure d'expliquer comment l'effet de peau influe sur la dynamique de l'impact, en particulier la mise à l'échelle du rayon d'étalement maximal avec des paramètres d'impact. Depuis métal liquide a haute réflectivité de la surface, un réglage précis de l'éclairage est nécessaire dans l'imagerie. Suspensions unere composée de petites particules dans un liquide. Même pour les liquides newtoniens simples, l'ajout de particules résulte en un comportement non-newtonien, qui devient particulièrement prononcé dans les suspensions denses, c'est à dire à haute fraction volumique des particules en suspension. En particulier, l'apparition d'éclaboussures quand une goutte de suspension frappe une surface lisse, dure a été étudiée dans les travaux antérieurs ^16. Les deux liquides particules et les interactions entre les particules peuvent modifier le comportement des éclaboussures de manière significative de ce qu'on pourrait attendre de liquides simples. Pour suivre les particules aussi petites que 80 um dans ces expériences une résolution spatiale élevée est nécessaire.

Une combinaison de diverses exigences techniques telles que la résolution spatiale et temporelle, ainsi que la capacité d'observation des impacts à la fois du côté de et ci-dessous, peuvent tous être satisfaits de la configuration d'imagerie décrit ici. En suivant un protocole standard, décrit ci-dessous, la dynamique d'impact peuvent être investisnomènes étudiés d'une manière contrôlée, comme le montre explicitement pour la diffusion et les éclaboussures comportement.