Varje år, effekterna av korroderande material får mer än 1 biljon dollar från den globala ekonomin. Eftersom vissa legeringar utsätts för extrem belastning och temperaturer, en oxidfilm börjar bildas, vilket gör att legeringarna går sönder ännu snabbare. Vad är det som gör just dessa högtemperaturer, högspänningsförhållanden som bidrar till korrosion, dock, förblir dåligt förstådd, särskilt i mikroelektromekaniska anordningar. I Journal of Applied Physics , Kinesiska forskare har börjat chippa bort varför dessa material korroderar under mekanisk påfrestning.

Xue Feng, professor vid Tsinghua University, och hans forskargrupp beskriver hur mekanisk stress kan påverka oxidationsprocessen. Deras modell bygger på oxidationskinetik för att förklara hur stress påverkar oxidationsarterna som diffunderar genom oxidskiktet, och hur stress modifierar kemiska reaktioner vid gränssnitt och leder till oxidation.

"Vårt arbete är i riktning mot grundforskning, men det är verkligen baserat på tekniska problem, "Feng sa." Vi förväntar oss att det ger riktlinjer för mer exakta förutsägelser i tekniska applikationer, inklusive bättre konstruktioner för att kompensera för material- och systemfel genom att ta hänsyn till oxidationsprocessen. "

I årtionden, forskning om den kemomekaniska kopplingen av fysisk stress och oxidation fokuserade på att relatera stress till en av två olika egenskaper hos legeringskorrosion. Specifikt, spänning tenderar att påskynda oxidationen som uppstår på materialets yta vid gränsytan mellan anordningen och syre från den omgivande luften. Stress förändrar också hur oxidativa föreningar diffunderar genom materialets nanoskala.

Denna grupps arbete kombinerar stress och oxidationsprocessen till en ny modell. Först, ett substrat, vanligtvis den korroderande legeringen, absorberar syre och bildar ett metalloxidskikt. Mer syre kan diffundera genom detta lager, som kan reagera med nästa legeringsskikt bakom oxidationsgränssnittet.

"Vårt arbete här handlar främst om andra och tredje etappen, där stressen, antingen externt applicerad mekanisk belastning eller inneboende spänning på grund av själva oxidbildningen, kan påverka diffusions- och kemisk reaktionsprocess, "sa Mengkun Yue, en annan författare till uppsatsen från Tsinghua University.

Teamets modell förutspådde att när material under tung belastning komprimeras, de tar upp mindre syre. På motsvarande sätt, spänningar som drar isär materialet ger mer utrymme för syre att infiltrera legeringen.

Gruppen testade denna ram på prover av SiO2 odlade på ett Si -substrat med hjälp av multibeaminterferometri, en metod som andra forskare tidigare visat, och fann att deras teoretiska förutsägelser matchade data.

Xufei Fang, en författare på tidningen vid Max Planck Institute for Iron Research, sa att han hoppas att verifiering av en enhetlig modell för koppling av stress-oxidation kan hjälpa till att förbättra mikroelektromekaniska enheter. Vid höga temperaturer eller under stress, dessa enheter kan uppleva betydligt mer oxidation på grund av deras stora yta till volym-förhållande.

"Vi förväntar oss en mer allmän tillämpning av vår modell och vi kommer att utveckla vår modell ytterligare, i nästa steg, att tillämpa dem på mikroskalsystem, Sa Fang.