高速碰撞中粗糙表面促进颗粒键合的机理研究及其在材料科学中的应用

本文通过分子动力学模拟（MD）揭示了高速碰撞中粗糙表面对颗粒键合的促进作用，颠覆了经典准静态黏附接触力学（JKR模型）中光滑表面更利于接触的认知。研究发现，粗糙表面通过机械互锁和增加接触点显著提升黏附概率，并建立了界面黏附能与表面粗糙度关联的临界速度解析模型，为材料科学、涂层技术和摩擦学（Tribology）的工业应用提供了理论支撑。

　　

Highlight

本研究通过原子尺度的自仿射粗糙表面与光滑表面建模，结合分子动力学模拟（MD）和模型材料/铜材料实验，系统探究了高速碰撞中界面黏附与表面粗糙度对颗粒键合的影响机制，并提出了量化不同界面条件下临界速度的解析模型。

Results and discussions

通过分析颗粒运动轨迹、内部缺陷微观结构、动能耗散机制及界面接触行为，我们揭示了颗粒键合的关键条件：

1. 1.

   塑性变形主导耗散：高速碰撞下，颗粒内部位错（Dislocation）的成核、运动和湮灭导致大量动能转化为堆垛层错能（Stacking Fault Energy），抑制回弹；

2. 2.

   粗糙表面的机械互锁效应：表面凹凸结构增加接触点密度，形成局部“锚定”区域，提升黏附概率；

3. 3.

   临界速度模型：基于能量平衡原理，建立界面黏附能（γ）与粗糙度参数（RMS）关联的解析方程：

   V_crit ∝ (γ/E_p)^1/2·(1+α·RMS)^-1

   其中E_p为塑性耗散能，α为粗糙度敏感系数。

Summary and conclusions

1. 1.

   粗糙表面在高速碰撞中通过机械互锁和塑性耗散协同促进键合，其效果显著优于光滑表面；

2. 2.

   临界速度随界面黏附能增加而降低，随表面粗糙度呈非线性变化；

3. 3.

   模型可指导冷喷涂（Cold Spray）等技术中表面形貌的优化设计。