《材料科学基础》第六章 固体中的扩散ppt课件.ppt

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1、第一篇结构与性质第一章晶体学基础第二章晶体结构第三章晶体结构缺陷第四章非晶态结构第二篇  热力学平衡第五章相平衡和相图第三篇  动力学过程第六章固体中的扩散第七章材料中的相变第八章材料制备中的固态反应第九章材料的烧结材料科学基础FundamentalsofMaterialsScience扩散处理的蓝宝石扩散偶扩散现象研究扩散一般有两种方法：①表象理论一根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量等；研究扩散的宏观规律——扩散现象、扩散方程②原子理论一扩散过程中原子是如何迁移的。研究扩散的微观机制——扩散机理本章内容：固体材料中扩散的一般规律、扩散机制扩散的影

2、响因素等。第六章固体中的扩散§6.1固体中扩散的基本特点§6.2扩散的宏观动力学方程—菲克定律§6.3固体的微观扩散机制及扩散系数§6.4影响扩散的因素一、扩散现象不同物态下的传质方式(质点的迁移方式)气(液)体中：对流、扩散固体中：扩散★扩散——当物质内有化学位梯度存在时，由于物质的热运动而导致的质点的定向迁移。§6.1固体中扩散的基本特点二、扩散的基本特点1.流体中的扩散特点图11-1扩散质点的无规行走轨迹完全的各向同性扩散速率高2.固体中的扩散特点扩散开始于较高的温度各向异性扩散速率低图11-2间隙原子扩散势场示意图三、扩散的布朗运动理论在固体介质中，作

3、无规则布朗运动的大量质点的扩散系数决定于质点的有效跃迁频率和迁移自由程平方的乘积。——空位与邻近结点原子的距离，＝Ka0f——结点原子成功跃迁到空位中的频率，可供空位跃迁的结点数：A晶体内的空位浓度（缺陷浓度）质点跃迁到邻近空位的跃迁频率扩散过程与其他物理化学过程一样，其发生的根本驱动力是化学位梯度。一切影响扩散的外场（电场、磁场、应力场等）都可统一于化学位梯度之中，且仅当化学位梯度为零，系统扩散方可达到平衡。四、扩散的推动力化学势mi：表示每增加单个i原子，体系吉布斯自由能的增量。化学势梯度：扩散驱动力：在等温等压条件下，只要两个区域中i组元存在化学势差，就

4、能产生扩散，直至=0称为扩散系数的热力学因子。对于非理想混合体系存在两种情况：①当＞0，此时＞0，称为正常扩散或顺扩散，在这种情况下物质流将由高浓度处流向低浓度处，扩散的结果使溶质趋于均匀化。②当＜0，此时＜0，称为反常扩散或逆扩散。在这种情况下物质流将由低浓度处流向高浓度处，与上述情况相反，扩散结果使溶质偏聚或分相。●下坡扩散：浓度梯度方向与化学位梯度方向一致，D>0。●上坡扩散：浓度梯度方向与化学位梯度方向相反，D<0。铝合金中镁元素和硅元素偏聚团簇的三维空间分布图三维原子探针玻璃分相多孔玻璃在发光及光催化载体方面的应用很有潜力晶界的选择性吸附蓝萝卜Al

5、2O3与TiO2.固溶体中某些元素的偏聚一、菲克第一定律二、菲克第二定律三、扩散方程的应用举例§6.2扩散的宏观动力学方程—菲克定律在扩散体系中，参与扩散质点的浓度c是位置坐标x、y、z和时间t的函数，即浓度因位置而异，且可能随时间而变化。稳态扩散——扩散物质的浓度分布不随时间而变化不稳态扩散——扩散物质的浓度分布随时间而变化一、菲克第一定律在扩散过程中，单位时间通过单位横截面积的质点数目J正比于扩散质点的浓度梯度。式中D为扩散系数，其量纲为L2T﹣1(在SI和CGS单位制中分别为m２／s和cm２／s)；负号表示粒子从高浓度高处向浓度低处扩散，即逆浓度梯度的方

6、向扩散。——菲克第一定律▲——菲克第二定律二、菲克第二定律三、扩散方程的应用举例高压氧气球罐的氧气泄漏问题1.稳定扩散恒定源扩散：在整个扩散过程中扩散质点在晶体表面的浓度C0保持不变。eg:钢铁的渗碳恒定量扩散：一定量的扩散相Q由晶体表面向内部的扩散。eg:示踪剂的涂层2.不稳定扩散典型的边界条件可以分为两种：半无穷长固体一维扩散（表面浓度恒定）：金属渗碳、半导体硅片B扩散定量扩散质在无限长棒中扩散§6.3固体的微观扩散机制及扩散系数一、固体扩散机制空位扩散：指晶体中的空位跃迁入邻近原子，而原子反向迁移。间隙扩散：指晶体内的填隙原子或离子沿晶格间隙的迁移

7、过程。间隙机构的扩散系数（Di）空位机构的扩散系数（DV）1、热缺陷引起的扩散二、扩散系数空位、间隙扩散系数其中：Do—频率因子，Q—扩散活化能空位扩散：空位形成能＋空位迁移能间隙扩散：间隙原子迁移能▲2、由掺杂点缺陷引起的扩散3、非化学计量氧化物中的扩散非化学计量空位金属离子空位型氧离子空位型金属离子空位型氧离子空位型4、本征扩散与非本征扩散热缺陷（弗、肖）杂质缺陷非化学计量缺陷缺陷的来源本征扩散非本征扩散在缺氧的氧化物中，扩散与温度关系示意图互扩散：伴有浓度变化的扩散，与异类原子的浓度梯度有关。异类原子相对扩散，互相渗透。自扩散：没有浓度变化的扩散，与

8、浓度梯度无关。5、互扩散系数Au-Ni