Elk jaar, de effecten van corroderende materialen onttrekken meer dan $ 1 biljoen aan de wereldeconomie. Omdat bepaalde legeringen worden blootgesteld aan extreme spanningen en temperaturen, er begint zich een oxidefilm te vormen, waardoor de legeringen nog sneller afbreken. Wat maakt deze hoge temperatuur, omstandigheden onder hoge spanning die zo bevorderlijk zijn voor corrosie, echter, blijft slecht begrepen, vooral in micro-elektromechanische apparaten. In de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde , Chinese onderzoekers zijn begonnen te begrijpen waarom deze materialen corroderen onder mechanische belasting.

Xue Feng, een professor aan de Tsinghua Universiteit, en zijn onderzoeksteam beschrijven hoe mechanische stress het oxidatieproces kan beïnvloeden. Hun model is gebaseerd op oxidatiekinetiek om uit te leggen hoe stress de oxidatiesoorten beïnvloedt die door de oxidelaag diffunderen, en hoe stress chemische reacties op grensvlakken wijzigt en tot oxidatie leidt.

"Ons werk gaat in de richting van fundamenteel onderzoek, maar het is inderdaad gebaseerd op technische problemen, " zei Feng. "We verwachten dat het richtlijnen biedt voor nauwkeurigere voorspellingen in technische toepassingen, inclusief betere ontwerpen om materiaal- en systeemstoringen te compenseren door rekening te houden met het oxidatieproces."

Al decenia, onderzoek naar de chemomechanische koppeling van fysieke stress en oxidatie was gericht op het relateren van stress aan een van de twee verschillende kenmerken van legeringscorrosie. specifiek, stress heeft de neiging de oxidatie te versnellen die optreedt op het oppervlak van het materiaal op het grensvlak tussen het apparaat en zuurstof uit de omringende lucht. Stress verandert ook de manier waarop oxidatieve verbindingen door de nanoschaalstructuur van een materiaal diffunderen.

Het werk van deze groep combineert stress en het oxidatieproces tot een nieuw model. Eerst, een ondergrond, typisch de corrosieve legering, neemt zuurstof op en vormt een metaaloxidelaag. Door deze laag kan meer zuurstof diffunderen, die kan reageren met de volgende laag legering achter het oxidatie-interface.

"Ons werk hier houdt zich voornamelijk bezig met de tweede en derde fase, waarbij de spanning, ofwel extern uitgeoefende mechanische belasting of intrinsiek gegenereerde spanning als gevolg van de oxidevorming zelf, kan het diffusie- en chemische reactieproces beïnvloeden, " zei Mengkun Yue, een andere auteur van het artikel van de Tsinghua University.

Het model van het team voorspelde dat wanneer materialen onder zware belasting worden gecomprimeerd, ze nemen minder zuurstof op. dienovereenkomstig, spanningen die het materiaal uit elkaar trekken, zorgen voor meer ruimte voor zuurstof om de legering te infiltreren.

De groep testte dit raamwerk op monsters van SiO2 gegroeid op een Si-substraat met behulp van multibeam-interferometrie, een methode die andere onderzoekers eerder hadden aangetoond, en ontdekten dat hun theoretische voorspellingen overeenkwamen met de gegevens.

Xufei Fang, een auteur op het papier bij Max Planck Institute for Iron Research, zei dat hij hoopt dat het verifiëren van een uniform model voor stress-oxidatiekoppeling kan helpen bij het verbeteren van micro-elektromechanische apparaten. Bij hoge temperaturen of onder stress, deze apparaten kunnen aanzienlijk meer oxidatie ervaren vanwege hun grote oppervlakte-tot-volumeverhouding.

"We verwachten een meer algemene toepassing van ons model en we zullen ons model verder ontwikkelen, in de volgende stappen, om ze toe te passen op microschaalsystemen, ' zei Fang.