Самовосстанавливающиеся оксиды металлов могут защитить от коррозии
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) обнаружили, что твердое защитное покрытие из оксида металла, нанесенное умеренно тонким слоем, обладает способностью деформироваться подобно жидкости и заполнять любые появляющиеся трещины и щели.
Это специальное тонкое покрытие предотвращает проникновение мелких молекул через большинство материалов, таких как водород, используемый для питания автомобилей на топливных элементах, или радиоактивный тритий (тяжелая форма водорода), который образуется внутри активных зон атомных электростанций.
Большинство металлов, за исключением золота, склонны к окислению под воздействием воздуха и воды. Эта реакция приводит к образованию ржавчины на железе, потускнению на серебре и ржавчине на меди, что со временем может ослабить металл и привести к трещинам или разрушению конструкции. Однако существует три типа оксидов металлов: оксид алюминия, оксид хрома и оксид кремния, которые могут использоваться в качестве защитных покрытий для предотвращения окисления.
Это специальное тонкое покрытие предотвращает утечку мелких молекул.
Группа под руководством аспиранта Ян Ян использовала специально разработанные приборы для детального исследования поверхности металлов, покрытых этими оксидами, чтобы увидеть, что происходит с ними под воздействием кислорода и под действием напряжения. В то время как большинство просвечивающих электронных микроскопов (ПЭМ) требуют размещения образцов в вакууме, группа использовала модифицированный тип микроскопа, называемый просвечивающим электронным микроскопом в условиях окружающей среды (Э-ПЭМ), который позволяет изучать образцы в присутствии газов или жидкостей. Прибор использовался для изучения процесса, приводящего к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Металлы под воздействием внутренних напряжений в корпусе реактора и перегретого пара могут быстро корродировать, если их не защитить. Даже при наличии прочного защитного слоя образуются трещины, позволяющие кислороду проникать на поверхность открытого металла, в частности, в межфазные соединения между металлическими частицами, составляющими крупнозернистый металлический материал, что приводит к более сильной коррозии и структурным повреждениям.
Ян сказал, что раньше считалось, что оксиды металлов хрупкие и склонны к растрескиванию, и никто не мог это доказать, поскольку было сложно наблюдать за поведением материала в реальных условиях. Теперь исследовательская группа впервые наблюдала это с разрешением, близким к атомному. Этот метод продемонстрировал, что слой оксида алюминия, который обычно очень хрупкий и разрушается под действием напряжения, при изготовлении в сверхтонкой форме деформируется практически как тонкий слой металлического алюминия, намного тоньше алюминиевого сердечника. Когда оксид алюминия наносится на поверхность большого алюминиевого листа, поток жидкости удерживает алюминий, покрытый защитным слоем.
Исследователи продемонстрировали в электронно-просветном электронном микроскопе, что алюминий с оксидным покрытием можно растянуть более чем вдвое от первоначальной длины без образования трещин. Оксид образует на поверхности равномерное защитное покрытие без границ зерен и трещин даже при растяжении. Технически этот материал представляет собой стекло, но он движется подобно жидкости и покрывает поверхность, пока его толщина достаточно мала.
Цзюй Ли, профессор ядерной науки и техники и соавтор исследования, сказал:«Благодаря преимуществам мягкой поверхности и отсутствию трещин или границ зерен, которые могли бы проникнуть в материал, самовосстанавливающиеся покрытия имеют множество потенциальных применений».
