Cada año, los efectos de los materiales corrosivos agotan más de $ 1 billón de la economía mundial. A medida que ciertas aleaciones están expuestas a tensiones y temperaturas extremas, comienza a formarse una película de óxido, lo que hace que las aleaciones se rompan aún más rápidamente.hace que estas condiciones de alta temperatura y alta tensión sean tan propicias para la corrosión, sin embargo, sigue siendo poco conocida, especialmente en dispositivos microelectromecánicos. Revista de Física Aplicada , de AIP Publishing, los investigadores chinos han comenzado a analizar por qué estos materiales se corroen bajo tensión mecánica.
Xue Feng, profesor de la Universidad de Tsinghua, y su equipo de investigación describen cómo el estrés mecánico puede afectar el proceso de oxidación. Su modelo se basa en la cinética de oxidación para explicar cómo el estrés afecta a las especies de oxidación que se difunden en la capa de óxido, y cómo se modifica el estrésreacciones químicas en las interfaces y conducen a la oxidación.
"Nuestro trabajo está en la dirección de la investigación fundamental, pero de hecho se basa en problemas de ingeniería", dijo Feng. "Esperamos que proporcione pautas para predicciones más precisas en aplicaciones de ingeniería, incluidos mejores diseños para compensar el material y el sistemafalla teniendo en cuenta el proceso de oxidación "
Durante décadas, la investigación sobre el acoplamiento quimiomecánico del estrés físico y la oxidación se centró en relacionar el estrés con una de las dos características diferentes de la corrosión de la aleación. Específicamente, el estrés tiende a acelerar la oxidación que ocurre en la superficie del material en la interfaz entre el dispositivoy oxígeno del aire circundante. El estrés también cambia la forma en que los compuestos oxidativos se difunden a través de la estructura a nanoescala de un material.
El trabajo de este grupo combina el estrés y el proceso de oxidación en un nuevo modelo. Primero, un sustrato, típicamente la aleación corrosiva, absorbe oxígeno y forma una capa de óxido metálico. Más oxígeno puede difundirse a través de esta capa, que puede reaccionar con la siguiente capade aleación detrás de la interfaz de oxidación.
"Nuestro trabajo aquí se ocupa principalmente de la segunda y tercera etapas, en las cuales el estrés, ya sea una carga mecánica aplicada externamente o un estrés generado intrínsecamente debido a la formación de óxido en sí mismo, podría afectar el proceso de difusión y reacción química", dijo Mengkun Yue,otro autor del artículo de la Universidad de Tsinghua.
El modelo del equipo predijo que cuando los materiales bajo cargas pesadas se comprimen, absorben menos oxígeno. En consecuencia, las tensiones que separan el material proporcionan más espacio para que el oxígeno se infiltre en la aleación.
El grupo probó este marco en muestras de SiO2 cultivadas en un sustrato de Si utilizando interferometría multihaz, un método que otros investigadores habían demostrado previamente, y descubrieron que sus predicciones teóricas coincidían con los datos.
Xufei Fang, autor del artículo en el Instituto Max Planck para la Investigación del Hierro, dijo que espera que verificar un modelo unificado para el acoplamiento de estrés-oxidación pueda ayudar a mejorar los dispositivos microelectromecánicos. A altas temperaturas o bajo estrés, estos dispositivos pueden experimentar mucho másoxidación debido a su gran relación superficie / volumen.
"Esperamos una aplicación más general de nuestro modelo y desarrollaremos nuestro modelo aún más, en los próximos pasos, para aplicarlos a los sistemas de microescala", dijo Fang.
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Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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