LLNL 연구원들은 Ruby 슈퍼컴퓨터를 사용하여 알루미늄 부식에서 습도의 역할에 대한 새로운 통찰력을 공개합니다.

Dec 09, 2023

2023년 6월 7일

2023년 6월 7일 — 로렌스 리버모어 국립 연구소(LLNL)의 과학자들은 습도가 알루미늄 금속의 대기 부식 속도를 제어하는 ​​이유를 설명하는 물리적 메커니즘을 밝히기 위해 연구소의 슈퍼컴퓨터 Ruby를 사용하여 시뮬레이션을 수행했습니다. 그들의 연구는 ACS Journal of Applied Materials and Interfaces에 게재되었습니다.

알루미늄 부품 수명의 정확한 예측은 부식 속도 평가에 따라 달라집니다. 시스템 수준의 수명 예측에 사용되는 엔지니어링 규모 모델은 수착, 이동 및 화학 반응을 포함한 물리적, 화학적 결합 메커니즘으로 표현됩니다. 이러한 메커니즘은 본질적으로 다중 규모이므로 모델 형태 개발과 보정이 모두 복잡해집니다.

대기 중 알루미늄 부식 속도는 부품 주변에 증기로 존재하는 수분의 양을 측정하는 상대 습도에 따라 달라집니다. 이러한 속도 효과를 발생시키는 프로세스를 이해하면 기본적인 물리적 매개변수 측면에서 엔지니어링 수명 모델의 형태를 제한하는 데 도움이 될 수 있습니다.

노출된 알루미늄 표면이 공기에 노출되면 빠르게 반응하여 산화알루미늄을 형성합니다. 주변의 습한 공기 중의 수증기는 이러한 산화물 표면에 흡착되어 상대 습도에 따라 두께가 달라지는 나노 크기의 필름을 형성합니다. 응축된 표면수는 금속 이온이 용해되고 확산을 통해 이동할 수 있는 매체를 제공하며 이는 부식 구멍의 형성 및 성장에 중요하지만 제한된 나노 크기는 특이한 효과를 유발할 수 있습니다.

알루미늄 이온이 표면의 물 속에 갇혀 있는 상태에서 어떻게 행동하는지 더 잘 이해하기 위해 팀은 통찰력을 얻기 위해 전체 원자 분자 역학(MD) 시뮬레이션을 활용했습니다. MD는 원자가 상호 작용하는 방식에 대해 비교적 적은 가정을 하고, 재료 특성 데이터를 얻기 위해 후처리할 수 있는 원자 운동의 궤적을 직접 시뮬레이션합니다.

이번 연구의 공동 저자이자 LLNL 과학자 Matt Kroonblawd는 "확산 수송은 비교적 느린 과정이기 때문에 원자 상호 작용을 모델링하는 방법을 신중하게 선택해야 했습니다."라고 말했습니다. "고전적인 반응성 분자 역학은 정확성과 접근 가능한 시간 척도 사이에서 바람직한 균형을 제공합니다. 반응성 MD를 사용한다는 것은 우리가 수성 알루미늄 종의 구조나 산화물 표면의 특정 화학을 가정할 필요가 없다는 것을 의미했습니다."

시뮬레이션을 통해 연구팀은 알루미늄 이온이 공기-물 경계면 근처에 국한되는 경향이 있고 산화물 근처에는 전혀 존재하지 않는다는 것을 관찰했습니다. 이 현상은 수막의 표면 분극과 산화물 표면 근처에 형성되는 단단한 얼음과 같은 물 상태에 기인합니다.

이 두 가지 계면 현상 사이의 상호 작용으로 인해 수막 내에서 높이에 따른 수송 특성이 발생했습니다. 원자는 산화물 경계면 근처에서 매우 천천히 확산되며 공기-물 경계면에 접근할수록 확산도가 증가합니다. 표면수의 두께는 상대 습도에 따라 달라지며, 이는 이러한 나노 규모의 감금 효과와 경험적으로 측정된 알루미늄의 대기 부식 속도와 상관관계가 있습니다.

"산화물이 흡착된 수막 내의 가두기 효과는 문헌에 잘 기록되어 있습니다. 그러나 수성 이온 수송에 대한 직접적인 영향에 대한 이 새로운 통찰력은 대기 부식의 메커니즘을 이해하는 데 매우 유용합니다"라고 LLNL 과학자 Jeremy Scher는 설명했습니다. 연구.

부식 속도에 대한 나노 규모 제한의 결과는 팀이 MD 결과를 연속체 규모로 확대했을 때 분명해졌습니다. MD 시뮬레이션에서 계산된 이온 확산 계수를 통합한 알루미늄 부식 구멍의 환원주의적 1차원 연속체 모델이 개발되었습니다. 이 간단한 모델은 부식 속도가 대기 조건 하에서 확산이 제한될 수 있으며 따라서 상대 습도에 의해 크게 영향을 받는다는 것을 보여주었습니다.

"이 연구의 결과는 더 큰 길이 규모에서 대기 부식을 모델링할 때 특이한 나노 규모 효과와 습도에 대한 의존성을 포착하는 것이 얼마나 필수적인지를 강조합니다"라고 Scher는 말했습니다.