无机材料物理化学 固体中的扩散.ppt

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1、材料物理化学固体中的扩散四川大学材料科学与工程学院杨为中2021/8/26杨为中材料物理化学2扩散现象：由于热或其他原因导致的原子运动，物质从系统的这一部分迁移至另一部分的现象，被称为扩散。扩散体系＝扩散物质＋扩散介质气味——气体分子扩散汽油味（g/g）盐酸的制备（g/l）液体混合、布朗运动——液体分子扩散墨水融解（l/l）、酒精（l/l）、咖啡融解（s/l）…固体分子…扩散么？半导体掺杂（s/s）…………2021/8/26杨为中材料物理化学3固体扩散示意-生活实例2021/8/26杨为中材料物理化学4

2、固体扩散示意【实例】基于固相扩散的半导体掺杂本征半导体——掺杂半导体-施主、受主2021/8/26杨为中材料物理化学6固体中同样发生原子输运、混合过程固体中原子间结构的内聚力大得多故：固体中原子扩散比气体、液体慢得多、甚至几百万倍！！尽管如此，只要固体中原子、离子分布不均、存在浓度梯度，就会产生使浓度趋于均匀的定向扩散2021/8/26杨为中材料物理化学7在固体中，由于不存在对流，扩散就成为物质传输的惟一方式。在材料科学中多种过程与扩散有关形成固溶体半导体掺杂如相变、固相反应、烧结工艺渗碳和渗氮工艺氧化

3、过程高温蠕变等2021/8/26杨为中材料物理化学8绪论什么是扩散？——扩散是由热运动（温度梯度）引起的杂质原子、基质原子或缺陷的输运的一种过程从热力学角度看，只有在绝对零度，才没有扩散。除了温度梯度、还有浓度梯度、化学位梯度等引起的物质输运过程2021/8/26杨为中材料物理化学9故：扩散是由于体系内原子或离子存在有化学势或电化学势梯度（由温度、浓度等因素引起）情况下，所发生的定向流动和互相混合过程扩散的结果即消除这种化学势或电化学势梯度，达到体系内组分浓度的均匀分布或平衡2021/8/26杨为中材料

4、物理化学10典型扩散：突变浓度——均匀浓度分布2021/8/26杨为中材料物理化学119-1扩散的基本特点及扩散方程一.固体扩散的基本特点1.扩散开始于较高温度（低于固体熔点）所有质点均束缚在三维周期性势阱中，质点间相互作用强，质点每一步迁移必须从热涨落或外场中获取足够能量以克服势阱能量2021/8/26杨为中材料物理化学122.固体中质点扩散各向异性和扩散速率低固体中原子或离子的迁移方向和自由行程受结构结构中质点排列方式的限制，依一定方式所堆积的结构将以一定对称性和周期性限制着每一步迁移的方向和自由行

5、程2021/8/26杨为中材料物理化学13二菲克定律与扩散动力学方程微观角度，固体扩散由于彼此结构差异存在不同宏观角度，大量扩散质点看作作无规布朗运动，介质中质点的扩散均遵循相同的统计规律——著名的菲克定律：描述浓度场下物质扩散的动力学方程2021/8/26杨为中材料物理化学14当固体中存在的质点、不均匀分布的杂质或空位缺陷沿晶格运动菲克认为：流体和固体中质点的迁移在微观上不同，但从宏观连续介质的角度看，遵守相同的统计规律：在连续介质构成的扩散体系中扩散质的浓度c一般是空间r和时间t的函数即：扩散体系中

6、，参与扩散质点的浓度因位置而异，且随时间变化2021/8/26杨为中材料物理化学15菲克认为：扩散过程与热传导过程的相似菲克Fick第一定律，即：扩散过程中，单位时间内通过单位截面的扩散流量密度（或质点数）J与扩散质点的浓度梯度成正比D：扩散系数（m2/s或cm2/s）；负号：粒子从浓度高处向浓度低处扩散（逆浓度梯度方向）Jx2021/8/26杨为中材料物理化学16Fick第一定律Fick第一方程的局限性：浓度随时间的变化没有得到反映溶质原子流动的方向与浓度降低的方向一致2021/8/26杨为中材料物理

7、化学17考虑三个方向的扩散对于大部分玻璃或各向同性的多晶陶瓷材料，认为扩散系数D与方向无关，即Dx＝Dy＝DzD可以看作衡量一个具有单位浓度梯度体系的扩散速率的参数。在20～1500℃范围，固体D＝10－2～10－4cm2/s；D不仅与温度有关，更依赖于物质及其结构2021/8/26杨为中材料物理化学18菲克第一定律：适用于稳定扩散问题，即：扩散质点浓度分布不随时间变化。即dc/dx不随时间t变化Fick第一定律：不涉及扩散系统内部原子运动的微观过程；扩散系数反映了扩散系统的特性，并不仅仅取决于某一种组

8、元的特性；不仅适用于扩散系统的任何位置，而且适用于扩散过程的任一时刻2021/8/26杨为中材料物理化学19实际体系中，一般扩散过程没有达到稳定状态，规定的边界条件在变动，dc/dx均在变化，是dx和t的函数即：扩散系统中每一点的扩散物质浓度将随时间变化——叫做非稳态扩散。绝大多数扩散过程是非稳态扩散。随着扩散时间的继续而产生的浓度空间分布——菲克Fick第二定律2021/8/26杨为中材料物理化学20Fick第二定律的推导一维情况，体积元