Ученые объяснили замедление высокотемпературной коррозии при сжатии

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 композитов. 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.

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 O^2- 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.

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.

Александр Дубов