新型扩散原理.ppt

第六章 扩散 ;定义： 系统内部的物质在;; 离子晶体的导电 固溶体的形成 相变过程 固相反应 烧结 金属材料的涂搪 陶瓷材料的封接 耐火材料的侵蚀性 ; 扩散的动力学方程 扩散的热力学方程(爱因斯坦－能斯特方程) 扩散机制和扩散系数 固相中的扩散 影响扩散的因素;一、 Fick第一定律 稳定扩散： 扩散质点浓度不随时间变化 推动力： 浓度梯度;J 扩散通量，单位时间通过单位截面的质点数(质点数/s.cm2) D 扩散系数，单位浓度梯度的扩散通量 (m2/s 或 cm2/s) C 质点数/cm3 “－” 表示粒子从高浓度向低浓度扩散，即逆浓度梯度方向扩散;此式表明：;三维表达式：;二、 Fick第II定律 推导：取一体积元，分析x→x＋dx间质点数在单位时间内 x 方向的改变，即考虑两个相距为 dx 的平行平面。;用途： 适用于不同性质的扩散体系； 可用于求解扩散质点浓度分布随时间和距离而变化的不稳 定扩散问题。 对二定律的评价： (1) 从宏观定量描述扩散，定义了扩散系数，但没有给出D与结构 的明确关系； (2) 此定律仅是一种现象描述，它将浓度以外的一切影响扩散的 因素都包括在扩散系数之中，而未赋予其明确的物理意义； (3) 研究的是一种质点的扩散(自扩散)； (4) 着眼点不一样(仅从动力学方向考虑);动力学理论的不足： (1) 唯象地描述扩散质点所遵循的规律； (2) 没指出扩散推动力 扩散热力学研究的问题： 目标： 将扩散系数与晶体结构相联系； 对象： 单一质点?多种质点； ;推导D：;组分i质点的扩散通量 Ji＝CiVi Ci单位体积中i组成质点数 Vi 质点移动平均速度 ;设研究体系不受外场作用，化学位为系统组成活度和温度的函数。;理解：; (1)扩散 外界条件：?u/ ? x的存在 Di 代表了质点的性质，如 半径 、电荷数、极化性能等 基质结构：缺陷的多少；杂质的多少 ; 逆扩散的存在，如 固溶体中有序无序相变； 玻璃在旋节区分相； 晶界上选择性吸附过程； 某些质点通过扩散而富聚于晶界上。 ;第三节 扩散机制和扩散系数; 随T增大，具有足够能量去克服势垒的原子百分比按指数规律 增加，即;一、 无规则行走扩散 模型： 1、 无外场推动力，浓度差极小； 2、 质点由于热运动获得活化能，从而引起迁移； 3、 就一个质点来说，其迁移是无序的，随机的，各方面几率相同，迁移结果不引起宏观物质流，而且每次迁移与前次无关。 ;同理 从平面2?平面1的原子数为 n2. ?. ?t/2 ?从平面1?平面2的净流量;讨论： 1、 此式对自扩散是精确的，在全过程中没有任何偏向因素或推动力； 2、 对于特定的扩散机制(空位、间隙)和晶体结构，必须引入几何因素?，其数量级为1， ?与最邻近的跃迁位置数和原子跳回到原来位置的几率有关。 D＝ ?.?2.?;取 ?G＝ ? H－T ? S; 3、与迁移有关，D ? exp(-?Gm/RT)，质点的性质如 r?、Z ? 、?Gm ? ? D? 4、基质结构，结合强度 ?、结构致密度? 、 ?Gm ? ? D? 下面引入相关系数： ;三、 一般情况(推广) D＝D0exp(－?G/RT) D0 : 频率因子