材料化学扩散(1)

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1、第四章扩散与物质迁移4.1物质流——菲克第一定律稳态扩散：介质中的扩散物质的浓度梯度不随时间、空间变化的扩散，称为稳态扩散。对于一维扩散，式中为A在X方向上的质量流通量，单位为g/cm2s，为扩散介质中单位体积中A的质量，单位为g/cm3,为A的扩散系数，单位为cm2/s。又可表述为：式中为A在X方向上的摩尔通量，单位为molg/cm2s；为扩散介质中单位体积中A的摩尔数，单位为mol/cm3；为A的扩散系数，单位为cm2/s。如果表示A物质在体系中的质量分数，为体系总密度，则有：如果NA表示A的摩尔分数，C表示单位体积的总摩尔数，则有

2、：上述讨论均为一维扩散的情况，对于一般情况下的三维扩散，菲克第一定律的表达式为：4.2非稳态扩散——菲克第二定律At=1t=2t=3t=4在扩散体系中，扩散物质的浓度分布随时间和空间而改变的扩散，称为非稳态扩散。JAxJAyJAzxyz微体积元在一般情况下，体系通常总体流动，并伴随有化学反应，考虑流动介质中的扩散问题，二元体系A、B，扩散系数，、分别表示A和B的通量，为体系总密度，为A的质量密度，：（1）（2）（3）（4）（5）两边同除以ΔxΔyΔz：（6）对于（1）式两边加算子点积，（7）（8）对于连续介质，应用Laplas方程结论（

3、9）∴（10）代入（6）式（11）两边同除以A的原子量MA，（12）上式便是菲克第二定律的一般表达形式，其中为体系中总的移动速度，为单位体积中A的反应速率。4.1扩散的微观机制与扩散系数4.1.1自扩散系数自扩散就是由体系中原子（质点）的热运动造成的无规则行走。有三种扩散机制：空位机制、间隙机制、环圈机制，当体系结构中间隙比较大时，自扩散主要为间隙机制，而当原子半径相差不大时，扩散主要为空位机制。：原子间距：原子跳跃频率爱因斯坦公式：公式认为体系中原子受某种虚拟力的作用以v速度迁移，，B*定义为淌度，即没有浓度和化学位梯度下质点在单位作

4、用力下的移动速度，用于表征物质自扩散的能力。自扩散系数的测定，可以利用示踪剂法，通过放射性同位素进行扩散的观察。其中，对于间隙扩散，；而对于空位扩散，。4.1.2本征扩散系数体系中存在浓度梯度或化学未梯度作为扩散驱动时，物质的扩散系数为本征扩散系数。当体系中i组元在化学位梯度作用下发生扩散：其中可以看出，Di可以为负值，当Di<0时，即对应为上坡扩散。