无机材料科学基础11章14章三章习题及答案.doc

第十一章 扩 散 11-1 名词解释（试比较其同） 1．无序扩散：原子或离子的无规则扩散迁移运动发生在结构无序的非晶态材料中，称为无序扩散。 晶格扩散：原子或离子在晶体结构中不断地改变位置而出现由一处向另一处的无规则迁移运动，称为晶格扩散。 2．本征扩散：不含有任何杂质的物质中由于热起伏引起的扩散。 非本征扩散：由于杂质引入引起的扩散。 3．自扩散：一种原子或离子通过由该种原子或离子所构成的晶体中的扩散。 互扩散：两种或两种以上的原子或离子同时参与的扩散。 4．稳定扩散：是指扩散物质的浓度分布不随时间变化的扩散过程，使用菲克第一定律可解决稳定扩散问题。 不稳定扩散：是指扩散物质浓度分布随时间变化的一类扩散，这类问题的解决应借助于菲克第二定律。 11-2 11-2 欲使Mg2+在MgO中的扩散直至MgO的熔点（2825℃）都是非本征扩散，要求三价杂质离子有什么样的浓度？试对你在计算中所作的各种特性值的估计作充分说明。（已知MgO肖特基缺陷形成能为6eV）Mg2+离子在MgO 晶体中以空位机构扩散，MgO 中肖特基空位浓度： 式中E 为空位生成能， E=6ev ；MgO的熔点Tm=3098k。故当 MgO 加温至靠近熔点（TM=3098k）时肖特基空位浓度为： 因空位扩散机构的扩散系数 ，所以欲使在MgO中的扩散直至MgO的熔点均是非本征扩散，应使离子产生的远大于热缺陷空位 离子进入MgO晶格，将发生下面缺陷反应： 因此，杂质离子的浓度应远大于两倍的热缺陷空位浓度： 11-3 a) T=1145℃, , T=1393℃, , 解得： Q=6045kcal/mol D0=4.21×10-4cm2/sec b) 1393℃(1666k) 1716℃(1989k) 1923k(自取) 0.600 0.503 0.520 D / 2.42×10-11 7.02×10-12 解方程组： 2.42×10-11=D0exp(-Q/8.314×1989) 7.02×10-12=D0exp(-Q/8.314×1923) 得 Q=142.6kcal/mol D0=1.16×105cm2/sec 11-4 在二根金晶体圆棒的端点涂上示踪原子Au*，并把两棒端点连接，如图11-16（A）所示。在920℃下加热100h，Au*示踪原子扩散分布如图11-16(B）所示，并满足下列关系： 为实验中示踪原子总量，求此时金的自扩散系数。 设表面层的饱和浓度为Cs 则或 由实验浓度分布图可得： 0.2 0.04 0.95 0.051 0.3 0.09 0.88 0.128 0.4 0.16 0.66 0.416 0.5 0.25 0.40 0.916 0.6 0.36 0.29 1.238 0.9 0.81 0.10 2.303 作的线性回归，得斜率K=2.9797(相关系数R=0.9866)。 11-5 定性分析：当NaCl 中溶有小量ZnCl2 时，的扩散系数一方面受缺陷浓度（Schottky缺陷：）影响，另一方面受由于引入Zn2+而形成的空位浓度影响。但可认为：当温度较低时，由Zn2+的引入而产生的对扩散系数影响是主要的；而当温度较高时，的本征扩散将占优势。在整个温度范围内，的扩散均以本征扩散为主。因为Zn2+的引入并不明显改变亚点阵的情况。定量计算： 10-6（mol） 10-6(mol) 可查得NaCl的Schottky缺陷形成能.E=2.3ev 若要NaCl中Schottky缺陷浓度达到10-6，则温度必须大于由下式所决定的临界温度Tc：即后，离子本征扩散占优势。 影响扩散的因素有：1）晶体组成的复杂性。在大多数实际固体材料中，整个扩散可能是两种或两种以上的原子或离子同时参与的集体行为，所以实测得到的相应扩散系数应是互扩散系数。互扩散系统不仅要考虑每一种扩散组成与扩散介质的相互作用，同时要考虑各种扩散组分本身彼此间的相互作用。互扩散系数有下面所谓的Darken方程得到联系：式中，分别表示二元体系各组成摩尔分数浓度和自扩散系数。2）化学键的影响。在金属键、离子键或