材料科学基础(上海交大)第4章

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1、材料与化学化工学院材料科学基础第四章固体中原子及分子的运动—扩散4.0概述4.1表象理论4.2扩散的热力学分析4.3扩散的原子理论4.4扩散激活能4.5无规则行走与扩散距离4.6影响扩散的因素4.7反应扩散4.8离子晶体中的扩散重点与难点菲克第一定律的含义和各参数的量纲。能根据一些较简单的扩散问题中的初始条件和边界条件。运用菲克第二定律求解。柯肯达耳效应的起因，以及标记面漂移方向与扩散偶中两组元扩散系数大小的关系。互扩散系数的图解方法。“下坡扩散”和“上坡扩散”的热力学因子判别条件。扩散的几种机制，着重是间隙机制和空位机制。间隙原子扩散比置换原子扩散容易的原因。计算

2、和求解扩散系数及扩散激活能的方法。无规则行走的，扩散距离与步长的关系。响扩散的主要因素。反应扩散的特点和能应用相图确定反应扩散出现相类型。运用电荷中性原理确定不同情况下出现的缺陷类型。高分子链柔韧性的表征及其结构影响因素。线型非晶高分子、结晶高分子和非完全结晶高分子力学状态的差异和起因。学习方法指导本章重点阐述了固体中物质扩散过程的规律及其应用，内容较为抽象，理论性强，概念、公式多。根据这一特点，在学习方法上应注意以下几点：充分掌握相关公式建立的前提条件及推导过程，深入理解公式及各参数的物理意义，掌握各公式的应用范围及必需条件，切忌死记硬背。从宏观规律和微观机理两方

3、面深入理解扩散过程的本质，掌握固体中原子（或分子）因热运动而迁移的规律及影响因素，建立宏观规律与微观机理之间的有机联系。学习时注意掌握以下主要内容：菲克第一，第二定律的物理意义和各参数的量纲，能运用扩散定律求解较简单的扩散问题；扩散驱动力及扩散机制：间隙扩散、置换扩散、空位扩散；扩散系数、扩散激活能、影响扩散的因素。扩散(Diffusion)是物质中原子（分子或离子）的迁移现象，是物质传输的一种方式。扩散是一种由热运动引起的物质传递过程。扩散的本质是原子依靠热运动从一个位置迁移到另一个位置。扩散是固体中原子迁移的唯一方式。扩散会造成物质的迁移，会使浓度均匀化，而且温

4、度越高，扩散进行得越快(图4.1)。4.0概述wateraddingdyepartialmixinghomogenizationtime相变烧结材料表面处理扩散半导体掺杂固溶体的形成离子晶体的导电固相反应图4.1扩散示意图研究扩散一般有两种方法：表象理论—根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量等；原子理论—扩散过程中原子是如何迁移的。金属、陶瓷和高分子化合物三类固体材料中的原子结合方式不同，这就导致了三种类型固体中原子或分子扩散的方式不同。4.0.1扩散现象(Diffusion)当外界提供能量时，固体金属中原子或分子偏离平衡位置的周期性振动，作或长或短距离的跃迁的

5、现象。(原子或离子迁移的微观过程以及由此引起的宏观现象。)(热激活的原子通过自身的热振动克服束缚而迁移它处的过程。)扩散半导体掺杂固溶体的形成离子晶体的导电固相反应相变烧结材料表面处理4.0.2扩散的分类1.根据有无浓度变化自扩散：原子经由自己元素的晶体点阵而迁移的扩散。(如纯金属或固溶体的晶粒长大-无浓度变化)互扩散：原子通过进入对方元素晶体点阵而导致的扩散。（有浓度变化）2.根据扩散方向下坡扩散：原子由高浓度处向低浓度处进行的扩散。上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处进行的扩散。4.0.3固态扩散的条件1、温度足够高；2、时间足够长；3、扩散原子能固溶；4、具有驱

6、动力：5、化学位梯度。AdolfFick,aGermanphysiologistandinventor,wasbornonAugust3rd,1829,inGermany.In1855,heintroduced“Fick’sLawofDiffusion”whichdescribedthedispersalofgasasitpassesthroughafluidmembrane.（Figure4.2）AnastigmatisminhiseyesledFicktoexploretheideaofacontactlens,whichhesuccessfullycreate

7、din1887.Hisotherresearchresultedinthedevelopmentofatechniquetomeasurecardiacoutput.AdolfFick’sworkservedasavitalprecursorinthestudiesofbiophysics,cardiology,andvision.4.1表象理论图4.2Fick的经典实验SolidNaClFreshWater浓度为0饱和溶液4.1.1菲克第一定律（1）稳态扩散(SteadyStateDiffusion)：扩散过程中各处的浓度及浓度梯度(Concentiontra