第5章 固體中的擴散ppt課件.ppt

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1、第五章固體中的擴散主要內容第一節(jié)概述第二節(jié)宏觀動力學方程第三節(jié)擴散機理和擴散系數(shù)第四節(jié)影響擴散系數(shù)的因素第一節(jié)概述一、擴散的基本概念由熱運動引起的物質內部質點遷移過程稱為擴散。當物質內部不存在吉布斯函數(shù)(自由能)梯度(具體如濃度梯度、應力梯度、化學梯度和其它梯度)時，由于不同方向的統(tǒng)計擴散速率相等，因此擴散不導致任何宏觀現(xiàn)象；若物質內部存在吉布斯自由能梯度，則由于不同方向的統(tǒng)計擴散速率不相等，因此表現(xiàn)為物質發(fā)生宏觀定向輸送。擴散是一種傳質過程。擴散質點的無規(guī)行走軌跡第一節(jié)概述二、擴散的分類1.按濃度均勻

2、程度分類互擴散：存在濃度差時發(fā)生的擴散；自擴散：不存在濃度差時發(fā)生的擴散[物質內部質點以熱運動為推動力在物質內部向特定方向所進行的遷移過程]。2.按擴散方向分類順擴散：由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的擴散，又稱下坡擴散;逆擴散：由低濃度區(qū)向高濃度區(qū)的擴散，又稱上坡擴散。第一節(jié)概述3.按擴散范圍分類體擴散：在晶粒內部進行的擴散；表面擴散：在表面進行的擴散；晶界擴散：沿晶界進行的擴散。表面擴散和晶界擴散的擴散速度比體擴散要快得多，所以稱為“短程擴散”。此外，沿位錯線，層錯面的擴散也屬于“短程擴散”。第一節(jié)概述三、擴散

3、的基本特點1.流體(氣體、液體)中的擴散(1)由于流體中質點間的相互作用較弱，又無確定的結構，因此，質點的遷移完全隨機地朝三維空間的任意方向發(fā)生，而每一步遷移的自由行程也隨機地決定于該方向上最鄰近質點的距離；(2)流體的質點密度越低(如在氣體中)，質點遷移的自由程也就越大。(3)流體中的擴散傳質過程往往總是具有很大的速率和完全的各向同性。8/27/20216第一節(jié)概述2.固體中的擴散(1)固體質點之間作用力較強，開始發(fā)生明顯擴散所需的溫度較高，但低于熔點；(2)固體是凝聚體，質點以一定方式堆積，質點遷移

4、必須越過勢壘，擴散速率較低；(3)晶體中質點擴散各向異性，遷移自由程相當于晶格常數(shù)大小。間隙原子擴散勢場示意圖第一節(jié)概述四、研究擴散的意義由于固體不能發(fā)生對流傳質，擴散是固體傳質的唯一方式，因此，擴散在固體研究中具有特別重要的意義。固體材料制備和應用中的很多重要的物理化學過程都與擴散有關系。例如，固溶體的形成、離子晶體的導電性、材料的熱處理、相變過程、氧化、固相反應、燒結、金屬陶瓷材料的封接、金屬材料的涂搪與耐火材料的侵蝕。因此研究認識固體中擴散的基本規(guī)律對于制備和生產具有特定性能的固體材料具有十分重要

5、的意義。第二節(jié)宏觀動力學方程一、基本概念1.擴散通量定義：單位時間內通過單位橫截面的粒子數(shù)，用J表示，為矢量（因為擴散流具有方向性）。量綱：粒子數(shù)/(時間·長度2)單位：粒子數(shù)·s-1·cm-2或粒子數(shù)·s-1·m-28/27/20219第二節(jié)宏觀動力學方程2.穩(wěn)定擴散和不穩(wěn)定擴散穩(wěn)定擴散：擴散物質在擴散層內各處的濃度不隨時間而變化，即。不穩(wěn)定擴散：擴散物質在擴散層內各處的濃度隨時間而變化，即。第二節(jié)宏觀動力學方程二、擴散動力學方程1.費克第一定律1858年，費克(Fick)參照傅里葉(Fourier

6、)于1822年建立的導熱方程，獲得了描述物質從高濃度處向低濃度處擴散的定量公式。如右圖所示，若擴散粒子在擴散介質中的濃度分布不均勻，那么，擴散粒子將會自動地從高濃度處向低濃度處擴散。8/27/202111這時，擴散粒子沿x方向通過x處橫截面擴散的數(shù)量(dm)與x處的濃度梯度(dc/dx)、橫截面面積(A)及擴散時間(dt)成正比：表示擴散向濃度減小的方向進行上式即費克第一定律。第二節(jié)宏觀動力學方程8/27/202112第二節(jié)宏觀動力學方程式中J——擴散通量，即單位時間內通過垂直于x軸的單位平面

7、的擴散質點的物質的量，粒子數(shù)·cm-2·s-1；dc/dx——沿擴散方向的濃度梯度，mol·L-1·cm-1；D——擴散系數(shù)，其大小取決于擴散質點的性質(半徑、電荷、極化性能等)和基質的構造(結構緊密程度、缺陷密度等)，cm2·s-1。定律含義：(1)濃度梯度是擴散的推動力；(2)單位時間內通過垂直于擴散方向的單位面積上擴散的物質數(shù)量和濃度梯度成正比。第二節(jié)宏觀動力學方程一般地，由于擴散有方向性，J為矢量,因此費克第一定律的三維表達式為：菲克第一定律是定量描述質點擴散的基本方程。它適用于穩(wěn)定擴散也適用于

8、不穩(wěn)定擴散，是不穩(wěn)定擴散動力學方程(費克第二定律)建立的基礎。2.擴散系數(shù)與質點躍遷晶體中一維擴散的微觀模型如右圖所示：在晶體中，處于熱振動狀態(tài)的質點，若其振幅超過一定限度，將會從一個相對平衡位置躍遷到相鄰的另一個相對平衡位置。設質點的躍遷周期為τ，則躍遷頻率Γ為：Γ＝1/τ第二節(jié)宏觀動力學方程8/27/202115根據統(tǒng)計規(guī)律，質點在各個方向躍遷的概率是相等的，那么，在三維直角坐標系中，向任一坐標軸方向躍遷的頻率為。由于每個坐標軸有正、負