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    Exécution sous pression :Modélisation de l'oxydation dans les matériaux soumis à de fortes contraintes

    Schéma d'un système film/substrat d'oxyde et du processus d'oxydation. Dans la première étape, le flux affecte la diffusion et l'adsorption de l'oxygène du gaz à l'interface gaz/oxyde. Crédit :Mengkun Yue

    Chaque année, les effets de la corrosion des matériaux sapent plus de 1 000 milliards de dollars de l'économie mondiale. Certains alliages étant exposés à des contraintes et températures extrêmes, un film d'oxyde commence à se former, provoquant la dégradation encore plus rapide des alliages. Qu'est-ce qui rend précisément ces hautes températures, conditions de contraintes élevées si propices à la corrosion, cependant, reste mal compris, en particulier dans les dispositifs microélectromécaniques. Dans le Journal de physique appliquée , Des chercheurs chinois ont commencé à expliquer pourquoi ces matériaux se corrodent sous le stress mécanique.

    Xue Feng, professeur à l'université Tsinghua, et son équipe de recherche décrivent comment le stress mécanique peut affecter le processus d'oxydation. Leur modèle s'appuie sur la cinétique d'oxydation pour expliquer comment le stress affecte les espèces d'oxydation qui diffusent dans toute la couche d'oxyde, et comment le stress modifie les réactions chimiques aux interfaces et conduit à l'oxydation.

    "Notre travail s'oriente vers la recherche fondamentale, mais il est en effet basé sur des problèmes d'ingénierie, " a déclaré Feng. "Nous nous attendons à ce qu'il fournisse des lignes directrices pour des prédictions plus précises dans les applications d'ingénierie, y compris de meilleures conceptions pour compenser les défaillances du matériel et du système en prenant en compte le processus d'oxydation."

    Depuis des décennies, la recherche sur le couplage chimiomécanique de la contrainte physique et de l'oxydation s'est concentrée sur la relation entre la contrainte et l'une des deux caractéristiques différentes de la corrosion des alliages. Spécifiquement, les contraintes tendent à accélérer l'oxydation se produisant à la surface du matériau à l'interface entre le dispositif et l'oxygène de l'air ambiant. Le stress modifie également la façon dont les composés oxydants se diffusent dans la structure nanométrique d'un matériau.

    Les travaux de ce groupe combinent le stress et le processus d'oxydation dans un nouveau modèle. D'abord, un substrat, typiquement l'alliage corrosif, absorbe l'oxygène et forme une couche d'oxyde métallique. Plus d'oxygène peut diffuser à travers cette couche, qui peut réagir avec la prochaine couche d'alliage derrière l'interface d'oxydation.

    "Notre travail ici porte principalement sur les deuxième et troisième étapes, dans lequel le stress, soit une charge mécanique appliquée à l'extérieur, soit une contrainte générée de manière intrinsèque due à la formation d'oxyde elle-même, pourrait affecter le processus de diffusion et de réaction chimique, " a déclaré Mengkun Yue, un autre auteur de l'article de l'Université Tsinghua.

    Le modèle de l'équipe a prédit que lorsque des matériaux soumis à de lourdes charges sont comprimés, ils absorbent moins d'oxygène. En conséquence, les contraintes qui séparent le matériau offrent plus d'espace pour que l'oxygène s'infiltre dans l'alliage.

    Le groupe a testé ce cadre sur des échantillons de SiO2 cultivés sur un substrat de Si par interférométrie multifaisceaux, une méthode que d'autres chercheurs avaient déjà démontrée, et ont constaté que leurs prédictions théoriques correspondaient aux données.

    Xufei Croc, un auteur sur le papier au Max Planck Institute for Iron Research, a déclaré qu'il espère que la vérification d'un modèle unifié pour le couplage contrainte-oxydation peut aider à améliorer les dispositifs microélectromécaniques. A haute température ou sous contrainte, ces dispositifs peuvent subir une oxydation nettement plus importante en raison de leur rapport surface/volume élevé.

    « Nous attendons une application plus générale de notre modèle et nous développerons davantage notre modèle, dans les prochaines étapes, les appliquer à des systèmes microscopiques, " dit Croc.

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