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新型扩散2
材料物理化学固体中的扩散;1.空位扩散系数和间隙扩散系数
;*;*;空位形成能;*;*;*;空位机制、间隙机制D0表达方式;*;*;*;*;*;*;*;*;*;*;【试想】lnDM-PO2; lnDM-1/T图有何特点?
显然,若T不变,1nDM对lnPO2作图
直线斜率为1/6
若氧分压PO2不变,lnD~1/T图直线斜率负值为(ΔHM+ΔH0/3)/R;*;*;*;金属离子空位型;【思考】为什么还原气氛或惰性气氛更有利于氧化钛、氧化铝等氧化物陶瓷的烧结!;*;*;【例】已知MgO多晶材料中Mg2+本征扩散系数和非本征扩散系数分别为:
1)分别求25℃及1000℃时Mg2+的Din和Dex
2)求Mg2+lnD-1/T图中,由非本征扩散转变为本征扩散的转折点温度
3)求MgO晶体的肖特基缺陷形成能,欲使Mg2+在MgO中的扩散至熔点2800 ℃仍为非本征扩散,掺杂三价离子浓度应为多少?
;1)分别求25℃及1000℃时Mg2+的Din和Dex
【解】;2)求Mg2+lnD-1/T图中,由非本征扩散转变为本征扩散的转折点温度
【解】转折点温度即Din=Dex时温度!
得:T=2800K
(计算假设MgO为纯净晶体)
;3)求MgO晶体的肖特基缺陷形成能
【解】由题知本征/非本征缺陷扩散活化能分别为:Q1=486kJ/mol;Q2=254.50kJ/mol;
由扩散活化能含义:
则:
其中:Hf为肖特基缺陷形成能
Hm为迁移能
;3)欲使Mg2+在MgO中的扩散至熔点2800 ℃仍为非本征扩散,掺杂三价离子浓度应为多少?
【解】 Mg2+在MgO中的扩散,若掺杂M3+:
空位 [ VMg2+]总= [ VMg2+]杂+ [ VMg2+]肖
;可见,要使MgO晶体中到3073K仍以非本征扩散为主
临界情况:
[VMg2+]杂= [VMg2+]肖
[M3+]=2[VMg2+]杂
可见:MgO晶体中混入万分之一杂质,在熔点处仍为非本征扩散,故MgO、CaO、Al2O3等高熔点氧化物不易观测到本征扩散
;*;内因 1. 晶体结构
质点排列、堆积方式决定质点迁移方向、自由程、跃迁概率等因素 导致D0不同
EX. 体心立方 VS 面心立方
迁移方向及位置数:8 VS 12
迁移自由行程:
结构越致密,扩散活化能Q越大
910℃ D(体心)比D(面心)大两个数量级
结构不同,扩散机构不同,如CaF0结构;*;【思考】1)一般共价晶体一般具有较为开放的结构,其扩散机制以空位or间隙为主?2)Ag和Ge熔点相近,扩散能力是否相似?
1)以空位???主,金属、离子晶体材料中的开放结构,间隙机构占优势;但共价晶体结构虽较开放,但由于成键方向性+饱和性,间隙扩散不利于能量降低;且自扩散活化能高于相近熔点的金属
2)Ag金属键、Ge共价键,虽反应原子键力的熔点相近,但键性不同:;【思考】为何陶瓷中因平衡空位产生的本征扩散往往不易观察到?
陶瓷离子键、共价键结合,结合能往往高于金属,表现为高熔点
主要扩散机制空位机制,D取决与空位形成及迁移
结合能越大,空位迁移势垒越大
结合能越大,空位形成能越高,平衡空位浓度越低;*;*;*;*;*;*;*;*;*;*;*;3、气氛的影响
主要影响扩散机制
气氛造成非化学计量缺陷
阳离子空位 阴离子空位;*
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