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第5章：材料中的速率过程
第五章：固体材料中的质量输运
本章讨论固体材料中的质量输运（扩散），包括：
菲克第一、第二定律，典型扩散体系，互扩散问
题，扩散的微观机制，离子晶体中的离子扩散和离
子电导率等。
扩散是物质粒子 （原子、分子或离子）在“力” （能量梯度）
作用下的输运过程，扩散减小或消除这种梯度。
固体材料中的物质输运（扩散）与材料（粉体）的烧结、
固相反应、晶界偏析（沉淀）、化学热处理、相变、材料的
离子电导等密切相关。
人们对物质扩散的研究和认识，包括：“宏观”和“微观机制”
两个层面，并将两者相联系
第一节：宏观扩散规律——菲克扩散定律
稳态扩散和菲克第一定律
(steady-state diffusion and Fick’s first law)
m
扩散通量(flux)：J i atoms mole unit area iunit time
i ( , / )
At
菲克第一定律（1-D）：
⎛ ∂Ci ⎞
J i =−Di igrad Ci =−Di ⎜ ⎟
⎝ ∂x ⎠T
扩散系数(diffusion coefficient) : D (cm2 / s or m2 / s)
i
固体材料的扩散系数: −2 −12 2
1× 10 ~ 10 cm / s
Application of Fick’s first law:
calculating the steady state rate of the diffusion of Helium (He)
o o
through a silica (SiO ) plate 1 mm thick at 500 C. (*at 500 C the
2
−6 3 −7 2
solubility of He in silica is 1.8×10 g/cm and D=10 cm /s).
C
1
He(1atm) He(0 atm) C
2
x
⎛ ∂C ⎞ ΔC
J =−D =−D
He He ⎜ ⎟ He
⎝ ∂x ⎠T Δx
−6
−7 1.8× 10 − 0 −12 2
=− 10
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