基于柯肯达尔效应的空心球制备(哈工大传输原理课程论文)

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1、基于柯肯达尔效应的空心球制备摘要：介孔空心结构纳米材料与实心纳米颗粒相比具有更低的密度、更大的比表面积、更多元的功能调节维度(光、电、热、磁等)和更灵活的应用方式。故有非常广泛的使用空间，而空心球制备方法有很多，本文结合传输原理传质部分内容以及柯肯达尔效应进行原理分析，应用举例以及改进方法等方面阐述。关键词：空心球柯肯达尔效应扩散1空心材料优点介孔空心结构纳米材料与实心纳米颗粒相比具有更低的密度、更大的比表面积、更多元的功能调节维度(光、电、热、磁等)和更灵活的应用方式。如：中空结构的微/纳米催化剂可以有效增加其在催化反应中的活性位点数；通过改变微/纳

2、米介孔空心结构的组分、形貌、尺寸、壳壁厚度、孔隙率、孔的位置和孔内壁的特性等因素可以实现对其光、热、电、磁和催化等物化性能的调节；将难溶的功能活性成分担载在介孔空心的微/纳米结构的孔隙中，可以提高难溶物质的溶解度；将特异性药物担载在介孔空心微/纳米结构的孔隙中，为药物的缓释和可控释放提供了可能；将介孔空心微/纳米结构作为“纳米反应器”利用其量子限域效应和特殊的反应微环境，能得到特殊的反应结果。因此，具有介孔空心结构的纳米粒子为纳米材料的功能化提供了广阔的空间。2扩散及柯肯达尔效应简介空位机制适用于置换式固溶体的扩散"在置换式固溶体(或纯金属)中，由于原

3、子的尺寸相差不大，因此很难进行间隙扩散"晶体中结点并非完全被原子所占据，存在一定的空位"而且空位的数量随温度的升高而增加，在一定的温度下对应着一定的空位浓度"也就是说在一定的温度下存在一定浓度空位的晶体才是稳定的"依靠空位的移动而进行的扩散机制称为空位扩散机制"其扩散过程是这样进行的，与空位相邻原子，由于热振动而可能脱离原来位置而到空位中去，占据了点阵中的空位，而原来原子所处位置就成为空位"这种过程不断进行，就发生了扩散"在空位扩散时，扩散原子跳入空位，此时所需的能量不大，但每次跳动必须有空位移动与之配合，即原子进入相邻空位实现一次跳动之后，必须等到一

4、个新的空位移动到它的邻位，才能实现第二次跳动"因此实现空位扩散，必须同时具备两个条件：(l)扩散原子近旁存在空位；(2)近邻空位的扩散原子具有可以超过能垒的自由能石可见，空位扩散机制的扩散主要是通过空位的迁移来实现扩散，它的扩散激活能由原子跳动激活能与空位形成能两部分组成"柯肯达尔效应最初是金属学中的概念。1947年柯肯达尔(Kirkendall)等用实验证实了一种在置换型固相扩散偶中不等量相互扩散的现象。1947年，年，Kirkendall做了一个扩散退火试验。他将一块黄铜（Cu70%/Zn30%）放在铜盒内并用钼丝包扎，钼丝不参加扩散。经过高温长时

5、退火后，钼丝变短了。这表明黄铜中的中的Zn原子通过界面向外扩散，铜盒中原子通过界面向外扩散，铜盒中Cu原子向黄铜内扩散，二者构成了置换式固溶体。由于二者扩散速度的不同，Zn原子的流出量大原子的流出量大于Cu原子的流入量，即原子的流入量，即DZn>>DCu。正是二者的扩散系数不同，才使钼丝向内移动。此时的扩散系数D应为应为互扩散系数，考虑二个组元之间的交互作用影响。由两个组元之间的原子以不同速率相对扩散而引两个组元之间的原子以不同速率相对扩散而引起标记面漂移的现象，称为柯肯达尔效应。造成这样现象的原因是，在一定温度下，低熔点造成这样现象的原因是，在一定温

6、度下，低熔点组元原子扩散快、高熔点组元扩散慢组元原子扩散快、高熔点组元扩散慢，，即发生不等量即发生不等量的原子交换。因而需要分别建立两个组元的扩散方程的原子交换。因而需要分别建立两个组元的扩散方程柯肯达尔效应有以下二个实际意义：(1)揭示了宏观扩散规律与微观机制的内在关系，否揭示了宏观扩散规律与微观机制的内在关系，否定了置换固溶体扩散的换位机制定了置换固溶体扩散的换位机制，，支持空位机制；(2)扩散系统中每一种组元都有自己的扩散系数。3柯肯达尔效应制备空心球原理分析利用柯肯达尔效应制备中空材料利用核层和壳层物质的相互扩散，由于扩散速率的不同而生成空心结

7、构。柯肯达尔效应最初是指两种扩散速率不同的金属扩散过程会形成缺陷，现在已经成为制备中空纳米颗粒的一种方法，可以作为固态物质中相互扩散现象的描述。柯肯达尔效应控制形貌是热力学和动力学协同控制的结果图1柯肯达尔效应制备空心球图示Fan等依据柯肯达尔效应和前人理论补充和发展空心结构形成的生长机理模型。传统认为形成空心结构的原因是连续的体积扩散，形成缺陷，缺陷逐渐增大形成空洞。Fan等认为空心结构的形成包括体积扩散和表面扩散两个部分。空心结构的形成分为两个过程：由于核层物质A的外扩散速率远大于壳层AB的内扩散速率，形成扩散通量差JA，在核层A和壳层AB之间之间

8、形成空穴缺陷；空穴逐渐扩大，形成空洞，Fan等提出由于表面扩散系数比体积扩散数大几个数量级，该