Ученые объяснили замедление высокотемпературной коррозии при сжатии

M. Yue et al./ Journal of Applied Physics, 2018

Ученые разработали теоретическую модель, которая связывает скорость высокотемпературной коррозии материалов с возникающим внутри них механическим напряжением. Предсказания модели хорошо согласуются с экспериментальными данными и, в частности, объясняют замедление процессов окисления при сжатии материала, говорится в статье, опубликованной в Journal of Applied Physics.

Во многих конструкционных материалах, работающих при высоких температурах, окисление поверхности сопровождается механическими нагрузками, приводящими к деформации. Из-за взаимного влияния два этих эффекта могут как ускорять, так и замедлять разрушение поверхности разных материалов, как на основе металлических сплавов, так, например, на базе углеродных композитах. При этом важную роль играет не только внешняя нагрузка, но и внутреннее напряжение, возникающее в материале за счет непрерывного образования на поверхности оксидной пленки.

Материаловеды из Китая и Германии под руководством Сюэ Фэна (Xue Feng) из Университета Цинхуа создали теоретическую модель, которая связывает процессы окисления с механическим напряжением и объясняет динамику высокотемпературной коррозии материала. Ученые представили коррозию как трехстадийный процесс, который происходит за счет адсорбции кислорода на поверхность и последующей диффузии вглубь материала. В модели материал представляет собой однородное вещество, покрытое тонкой однородной оксидной пленкой, на поверхность которой постоянно осаждаются молекулы кислорода.

Схема рассматриваемой системы. M. Yue et al./ Journal of Applied Physics, 2018

На первом этапе происходит поглощение кислорода из газа поверхностью оксида. На этой стадии концентрация кислорода на границе оксид-газ зависит от механического напряжения в оксидном слое. На втором этапе идет диффузия ионов O2– сквозь оксидную пленку к границе оксид-основной материал. Процесс диффузии также связан с возникающим в оксидной пленке механическим напряжением. Третья стадия процесса — окисление на границе оксид-материал. Таким образом, полное механическое напряжение в материале можно связать с концентрацией кислорода на поверхности, эффективным коэффициентом диффузии кислорода через оксидную пленку и скоростью реакции окисления. Кроме того, за счет постоянного окисления происходит непрерывное увеличение толщины пленки. В результате меняющаяся толщина пленки и внутреннее напряжение приводят к деформации материала и изменению скорости процесса коррозии. Поскольку диффузия и химические реакции зависят от температуры, то особенно заметным эффект взаимного влияния окисления и механического напряжения становится при высоких температурах.

Изменение скорости роста оксидной пленки с течением времени, рассчитанное с помощью предложенной модели, при различных температурах. M. Yue et al./ Journal of Applied Physics, 2018

Ученые отмечают, что при сжатии материала учет связи между механическим напряжением и процессами окисления приводит к уменьшению скорости роста толщины оксидной пленки и, соответственно, замедлению роста механического напряжения и ингибированию коррозии. Полученные теоретические результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными по образованию оксидной пленки на поверхности кремния при температурах от 1000 до 1200 градусов Цельсия.

Ученые отмечают, что полученные ими результаты можно будет использовать, в частности, для улучшения работы мироэлектромеханических устройств, для которых процесс окислительной коррозии при высоких температурах часто оказывается критически важным из-за большой удельной площади поверхности. 

Процесс окислительной коррозии иногда предлагают использовать и в полезных целях. Например, использование процесса окисления меди в растворе перекиси помогло ученым создать каталитические микроракеты с отложенным пуском.

Автор: Александр Дубов

Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

nplus1.ru