自愈金属氧化物可以防止腐蚀。

自愈金属氧化物可以防止腐蚀。

研究人员发现,一种固体氧化物保护涂层,当金属在足够薄的层上时,会变形,就像液体一样,在形成裂纹时会填满缝隙;

薄涂层应该特别有用,以防止渗透到大多数材料中的微小分子泄漏,例如可以用来驱动燃料电池汽车的氢气,或核电站内核中形成的放射性氚(一种重态的氢)。

大多数金属,特别是金,在暴露于空气和水中时会氧化。这种反应,产生锈铁、变色银、铜绿对铜或黄铜,可以削弱金属随着时间的推移,导致裂缝或结构破坏。但是有三种已知的元素可以产生一种氧化物,它实际上可以作为一种保护屏障来防止任何进一步的氧化:氧化铝、氧化铬和二氧化硅;

麻省理工学院的核工程与科学教授、材料科学与工程教授Ju Li和一篇描述这项新发现的论文的高级作者说:“我们正试图理解为什么氧化铝和二氧化硅是特殊的氧化物,具有优异的耐腐蚀性。”;

该小组由麻省理工学院的研究生杨阳领导,使用高度专业化的仪器详细地观察涂有这些“特殊”氧化物的金属表面,以观察暴露在氧气环境中并置于压力下会发生什么。虽然大多数透射电子显微镜(TEM)要求的样品在高真空的研究团队使用修改后的版本称为环境透射电子显微镜(e-tem)允许样品要在利益的气体或液体的存在了。这个装置被用来研究可能导致一种叫做应力腐蚀破裂的故障的过程;

压力容器内的金属受到过热蒸汽的压力,如果不受保护,就会很快腐蚀。即使有坚固的保护层,也能形成裂纹,使氧气穿透到裸露的金属表面,然后渗入到构成大块金属材料的金属颗粒之间的界面上,造成更深的腐蚀,从而穿透更深,导致结构失效。杨说:“我们想要的是一种液态的、抗裂纹的氧化物。”;

原来旧的备用的涂层材料,氧化铝,可以只是像流动的液体,即使在室温下,如果是做成一个足够薄的层,约2至3纳米(十亿分之一米)厚。 

杨说:“传统上,人们认为金属氧化物会很脆,容易开裂。”解释说,没有人在实际情况下观察物质的行为是如此困难。这就是专业e-tem安装在布鲁克海文国家实验室,一个只有10左右,这样的设备在世界上发挥了作用。“没有人曾经观察它如何变形,在室温下,”杨说。

李说:“这是我们第一次以近乎原子的分辨率观察到这一点。这种方法表明,氧化铝层,通常是如此脆,它会在压力下粉碎,当极薄的几乎是一样变形的薄金属铝层-一层比铝箔薄得多。李说,当氧化铝被涂覆在大块铝的表面时,这种液体状的流动“使铝覆盖着它的保护层”;

研究人员展示了在e-tem与其氧化物涂层的铝可以拉长一倍以上的长度没有造成任何裂缝开放,李说。他说:“氧化物形成一个非常均匀的保形层,保护表面,没有晶界或裂纹,即使在拉伸的压力下。”。从技术上讲,这种材料是一种玻璃,但它像液体一样运动,只要表面足够薄,就可以完全覆盖表面;

杨说:“人们无法想象一种金属氧化物能起到延展性的作用,它指的是金属的变形能力,例如被拉长成细线。例如,蓝宝石是一种完全相同的材料,氧化铝,但它的块状结晶形式使它成为一种非常坚固但易碎的材料;

李说,这种自我修复涂层具有许多潜在的应用前景,并注意到其光滑、连续的表面无裂纹或晶界的优点,可以穿透材料;

该小组还包括研究附属Akihiro串间在麻省理工学院,魏中汉在中国西安交大和布鲁克海文国家实验室的霍琳欣。这项工作得到了国家科学基金会的支持。

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