Cada ano, os efeitos da corrosão de materiais solapam mais de US $ 1 trilhão da economia global. Como certas ligas são expostas a tensões e temperaturas extremas, um filme de óxido começa a se formar, fazendo com que as ligas se quebrem ainda mais rapidamente. O que exatamente torna essas temperaturas altas, condições de alta tensão tão favoráveis ​​à corrosão, Contudo, permanece mal compreendido, especialmente em dispositivos microeletromecânicos. No Journal of Applied Physics , Pesquisadores chineses começaram a descobrir por que esses materiais são corroídos sob estresse mecânico.

Xue Feng, um professor da Universidade Tsinghua, e sua equipe de pesquisa descreve como o estresse mecânico pode afetar o processo de oxidação. Seu modelo baseia-se na cinética de oxidação para explicar como o estresse afeta as espécies de oxidação que se difundem através da camada de óxido, e como o estresse modifica as reações químicas nas interfaces e leva à oxidação.

“Nosso trabalho está na direção de pesquisas fundamentais, mas é realmente baseado em problemas de engenharia, "Feng disse." Esperamos que ele forneça diretrizes para previsões mais precisas em aplicações de engenharia, incluindo projetos melhores para compensar falhas de material e sistema, levando em consideração o processo de oxidação. "

Por décadas, pesquisas sobre o acoplamento quimomecânico de estresse físico e oxidação focaram em relacionar o estresse a uma das duas características diferentes da corrosão da liga. Especificamente, o estresse tende a acelerar a oxidação que ocorre na superfície do material na interface entre o dispositivo e o oxigênio do ar circundante. O estresse também muda as maneiras como os compostos oxidativos se difundem pela estrutura em nanoescala de um material.

O trabalho deste grupo combina o estresse e o processo de oxidação em um novo modelo. Primeiro, um substrato, normalmente a liga corrosiva, absorve oxigênio e forma uma camada de óxido de metal. Mais oxigênio pode se difundir por esta camada, que pode reagir com a próxima camada de liga atrás da interface de oxidação.

“Nosso trabalho aqui lida principalmente com o segundo e terceiro estágios, em que o estresse, carga mecânica aplicada externamente ou estresse gerado intrinsecamente devido à própria formação de óxido, pode afetar o processo de difusão e reação química, "disse Mengkun Yue, outro autor do artigo da Universidade Tsinghua.

O modelo da equipe previu que quando os materiais sob cargas pesadas são comprimidos, eles absorvem menos oxigênio. Correspondentemente, tensões que separam o material fornecem mais espaço para o oxigênio se infiltrar na liga.

O grupo testou esta estrutura em amostras de SiO2 cultivadas em um substrato de Si usando interferometria multifeixe, um método que outros pesquisadores já haviam demonstrado, e descobriram que suas previsões teóricas coincidiam com os dados.

Xufei Fang, autor do artigo do Instituto Max Planck para Pesquisa de Ferro, disse que espera que a verificação de um modelo unificado para o acoplamento estresse-oxidação possa ajudar a melhorar os dispositivos microeletromecânicos. Em altas temperaturas ou sob estresse, esses dispositivos podem sofrer significativamente mais oxidação por causa de sua grande proporção entre área de superfície e volume.

"Esperamos uma aplicação mais geral do nosso modelo e iremos desenvolvê-lo ainda mais, nas próximas etapas, para aplicá-los a sistemas em microescala, "Fang disse.