武汉理工考研材料课件-第六章 扩散.pdf

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武汉理工考研材料课件-第六章 扩散

第六章 扩散 第一节 引 言 第二节 固体扩散机制及扩散动力学方程 第三节 扩散系数 第四节 影响扩散系数的因素 第一节 引 言 就固体中原子(或离子)的运动而论,有 两种不同的方式。一种为大量原子集体的协 同运动,或称机械运动;另一种为无规则的 热运动,其中包括热振动和跳跃迁移: 所谓扩散是由于大量原子的热运动引起的 物质的宏观迁移。 一、从不同的角度对扩散进行分类 (1)按浓度均匀程度分: 有浓度差的空间扩散叫互扩散;没有浓 度差的扩散叫自扩散 (2)按扩散方向分: 由高浓度区向低浓度区的扩散叫顺扩散, 又称下坡扩散; 由低浓度区向高浓度区的扩 散叫逆扩散,又称上坡扩散。 (3)按原子的扩散方向分: 在晶粒内部进行的扩散称为体扩散;在 表面进行的扩散称为表面扩散;沿晶界进 行的扩散称为晶界扩散。表面扩散和晶界 扩散的扩散速度比体扩散要快得多,一般 称前两种情况为短路扩散。此外还有沿位 错线的扩散,沿层错面的扩散等。 二、扩散的推动力 当不存在外场时,晶体中粒子的迁移 完全是由于热振动引起的。只有在外场作 用下,这种粒子的迁移才能形成定向的扩 散流。也就是说,形成定向扩散流必需要 有推动力,这种推动力通常是由浓度梯度 提供的。 但应指出,在更普遍情况下,扩散推 动力应是系统的化学位梯度; 第二节 固体扩散机构及其动力学方程 2.1 固体扩散机构 与气体、液体不同的是固体粒子间很大 的内聚力使粒子迁移必须克服一定势垒,这 使得迁移和混和过程变得极为缓慢。然而迁 移仍然是可能的。但是由于存在着热起伏, 粒子的能量状态服从波尔兹曼分布定律。 图1 粒子跳跃势垒示意图 晶体中粒子迁移的方式,即扩散机构示意 图。其中: 1.易位扩散: 如(a)。 2.环形扩散: 如(b)。 3.间隙扩散: 如(c)。 4.准间隙扩散: 如(d)。 5.空位扩散: 如(e)。 图2 晶体中的扩散 讨论: 在以上各种扩散中, 1.易位扩散所需的活化能最大。 2. 由于处于晶格位置的粒子势能最低,在 间隙位置和空位处势能较高(见图) :故空 位扩散所需活化能最小.因而空位扩散 是最常见的扩散机理,其次是间隙扩散 和准间隙扩散。 2.2 扩散动力学方程——菲克定律 一、基本概念 1.扩散通量 扩散通量——单位时间内通过单位横 截面的粒子数。用J表示,为矢量(因为扩 散流具有方向性) 2 量纲:粒子数/ (时间.长度 ) 2 单位:粒子数/ (s.m ) 2.稳定扩散和不稳定扩散 1)稳定扩散 稳定扩散是指在垂直扩散方向的任一平面上,单位时间内 通过该平面单位面积的粒子数一定,即任一点的浓度不随 时间而变化, J=const 。 ∂C 0 ∂t 2)不稳定扩散 不稳定扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变 化。扩散通量与位置有关。 二、 菲克第一定律 1858年,菲克(Fick)参照了傅里叶(Fourier)于 1822年建立的导热方程,获得了描述物质从高浓度区 向低浓度区迁移的定量公式。假设有一单相固溶体, 横截面积为A ,浓度C不均匀,在dt时间内,沿方向通 过处截面所迁移的物质的量与处的浓度梯度成正比: ∆C dm ∂C ∆m ∝ A∆t −D ( ) ∆x Ad

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