Udfører under tryk:Modellering af oxidation i materialer med høj belastning

Hvert år, virkningerne af korroderende materialer får mere end $ 1 billion fra den globale økonomi. Da visse legeringer udsættes for ekstrem belastning og temperaturer, en oxidfilm begynder at dannes, får legeringerne til at bryde endnu hurtigere ned. Hvad der netop gør disse høj temperaturer, højspændingsforhold så befordrende for korrosion, imidlertid, forbliver dårligt forstået, især i mikroelektromekaniske anordninger. I Journal of Applied Physics , Kinesiske forskere er begyndt at chippe væk, hvorfor disse materialer tærer under mekanisk belastning.

Xue Feng, en professor ved Tsinghua University, og hans forskerhold beskriver, hvordan mekanisk stress kan påvirke oxidationsprocessen. Deres model bygger på oxidationskinetik for at forklare, hvordan stress påvirker de oxidationsarter, der diffunderer gennem oxidlaget, og hvordan stress ændrer kemiske reaktioner ved grænseflader og fører til oxidation.

"Vores arbejde er i retning af grundforskning, men det er faktisk baseret på tekniske problemer, "Feng sagde." Vi forventer, at det giver retningslinjer for mere præcise forudsigelser i tekniske applikationer, herunder bedre design til at kompensere for materiale- og systemfejl ved at tage hensyn til oxidationsprocessen. "

I årtier, forskning i den kemomekaniske kobling af fysisk stress og oxidation fokuseret på at relatere stress til et af to forskellige træk ved legeringskorrosion. Specifikt, stress har en tendens til at accelerere oxidationen, der forekommer på overfladen af ​​materialet ved grænsefladen mellem enheden og ilt fra den omgivende luft. Stress ændrer også måderne, hvorpå oxidative forbindelser diffunderer gennem et nanoskala struktur af et materiale.

Denne gruppes arbejde kombinerer stress og oxidationsprocessen til en ny model. Først, et substrat, typisk den korroderende legering, optager ilt og danner et metaloxidlag. Mere ilt kan diffundere gennem dette lag, som kan reagere med det næste lag af legering bag oxidationsgrænsefladen.

"Vores arbejde her omhandler hovedsageligt anden og tredje fase, hvor stress, enten eksternt påført mekanisk belastning eller iboende spænding på grund af selve oxiddannelsen, kan påvirke diffusions- og kemisk reaktionsproces, "sagde Mengkun Yue, en anden forfatter til papiret fra Tsinghua University.

Teamets model forudsagde, at når materialer under tung belastning komprimeres, de optager mindre ilt. Tilsvarende spændinger, der trækker materialet fra hinanden, giver mere plads til ilt til at infiltrere legeringen.

Gruppen testede denne ramme på prøver af SiO2 dyrket på et Si -substrat ved hjælp af multibeam -interferometri, en metode, som andre forskere tidligere havde demonstreret, og fandt ud af, at deres teoretiske forudsigelser matchede dataene.

Xufei Fang, en forfatter på papiret ved Max Planck Institute for Iron Research, sagde, at han håber, at verificering af en samlet model for stress-oxidationskobling kan hjælpe med at forbedre mikroelektromekaniske enheder. Ved høje temperaturer eller under stress, disse enheder kan opleve markant mere oxidation på grund af deres store forhold mellem overfladeareal og volumen.

"Vi forventer en mere generel anvendelse af vores model, og vi vil udvikle vores model yderligere, i de næste trin, at anvende dem på mikroskala systemer, "Sagde Fang.