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1、菲克定律在氢扩散系数研究中的应用刘菲,苏运星,王仲民,潘顺康(桂林电子科技大学材料科学与工程学院,广西桂林541004)摘要:菲克第一定律、菲克第二定律是氢扩散系数测定的理论依据,但测量时采用的不同初始条件和计算方法会对计算结果造成一定的偏差。针对氢扩散过程中两种初始状态(“衰降暂态”、“升起暂态”)对应的扩散系数的求解公式及对应电流进行了推导和分析,将理论依据与单电位阶跃的电化学实验方法中的实际模型相结合,得出了实际实验条件下不同初始状态对应的合理的计算方法、实验结果及各自不同的具体应用,通过比较证实“升起暂态”在实验控制方面较佳。关键词:菲克定律;电化学;单电位阶跃;氢扩散系数(D);氢渗
2、透中图分类号:TQ150.1文献标识码:AApplicationofFickπslawinmeasurementofhydrogendiffusioncoefficientbyelectrochemicalmethodLIUFei,SUYun2xing,WANGZhong2min,PANShun2kang(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,Guilin541004,China)Abstract:Fickfirstandsecondlawsaregenerallyusedto
3、measurehydrogendiffusioncoefficient(D)withinbulkmaterials,butabigvariationoftheresultsisoftencausedbytheadoptionofdiffer2entinitialstatesandcalculationmethods.Inthispaper,twoinitialstates(DecaytransientandRisetransient)areselectedinthedeductionoftheformulaofhydrogendiffusioncoefficientandcorre2spond
4、ingcurrents.Combiningtheoreticalbasisandasinglepotentialstepelectrochemicalexperi2mentalmethod,reasonablecalculationmethods,results,anditsspecialapplicationsunderpracticaltestingconditionshavebeendiscussed.Theresultsalsoindicatethatrisetransientismorebetterinthecontroloftestingconditions.Keywords:Fi
5、ckπslaw;electrochemical;singlepotentialstep;hydrogendiffusioncoefficient(D);hydrogenpermeation通过电化学的方法测定氢在合金中的扩散系数,已成为一种能够合理地表征氢的扩散能力的重要方法[125]。该方法能够直观反映氢原子运动过程中合金内部电子的运动特点,可以动态考察扩散过程中电子的运动规律,具有比气态测试方法更加简便易操作、数据精确、微观探究更细致等优点[6]。电化学测算扩散系数依据的主要实验原理为菲克第一定律(FickπsFirstLaw)和菲克第二定律(FickπsSecondLaw)[1]。前者阐
6、明流量与浓度梯度成正比的关系,后者是在前者的基础上进行推导,得收稿日期:2010203215;修订日期:2010204208基金项目:教育部留学归国人员科研启动基金(FM080084);广西回国基金(桂科回0639027);广西人才专项基金(2007230)通讯联系人:王仲民(19692),男,陕西渭南人,桂林电子科技大学教授,博士;E2mail:zmwang@guet.edu.cn。842广西大学学报:自然科学版第35卷出的关于浓度随时间变化的定律,其表达式分别为:9C0(x,y)-J0(x,y)=D0,9x9C0(x,t)。=D09t9x2在测算扩散系数的过程中应用上述两个定律时,其适用范
7、围以及实验过程的初始条件是关键,不同的适用条件、不同的初始状态都会使得实验过程以及测算结果大相径庭[7210]。所以,对于该扩散过程的适用条件以及初始状态进行研究十分重要。1结果与讨论氢在氢分离合金膜片中的扩散模型如图1所示。1.1实验模型为“衰降暂态”时的情况当实验模型为“衰降暂态”时,边界条件和初始条件[3]为:C=C0(1-x/L),t<0,00,x=L,t>
