基本动力学过程-扩散.ppt

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1、第七章基本动力学过程——扩散第一节固体中扩散的概述第二节固体中扩散的基本特点与扩散动力学方程第三节扩散过程的推动力、扩散机制与扩散系数第四节影响扩散系数的因素第一节固体中扩散的概述GeneralofDiffusioninSolid（1）扩散的概念：指当物质内有梯度（化学位、浓度、应力梯度等）存在时，由于热运动而导致的质点定向迁移——一种传质过程（2）物质聚集状态与传质方式比较：气体和液体（流体）：扩散传质、对流传质固体：扩散是传质的唯一方式原子或离子的扩散是众多工程材料如金属材料、无机非金属材料、有机高分子等材料的

2、制备、使用中很多重要的物理、化学以及物理化学过程得以实现的基础。因此，理解和掌握固体中扩散的基本规律对认识材料的性质、制备和生产具有一定性能的固体材料均有十分重大的意义（3）扩散的分类：按浓度均匀程度分：互扩散：有浓度差的空间扩散（异种粒子存在时，造成浓度差）；自扩散：没有浓度差的扩散。（同种粒子存在）按扩散方向分：由高浓度区向低浓度区的扩散叫顺扩散，又称下坡扩散;由低浓度区向高浓度区的扩散叫逆扩散，又称上坡扩散按原子的扩散方向分：在晶粒内部进行的扩散称为体扩散；在表面进行的扩散称为表面扩散；沿晶界进行的扩散称为

3、晶界扩散。表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多，一般称这两种情况为短路扩散。此外还有沿位错线的扩散，沿层错面的扩散等。第二节固体中扩散的基本特点与扩散动力学方程BasicCharacteristicandDynamicEquationofDiffusioninSolid一、固体中质点扩散的基本特点流体的结构特点：质点间相互作用比较弱，且无一定的结构——质点的迁移可完全随机地朝三维空间的任意方向发生迁移的自由行程也随机地决定于在该方向上最邻近质点的距离S1S2Sn－1SnRn扩散粒子在一定时间内经几次无序跃迁

4、的净位移示意图随机行走（液相中）流体中扩散的基本特点：完全的各向同性和具有较大的速率（1）构成固体的所有质点均束缚在三维周期性势阱中，故质点的每一步迁移必须从热涨落中获取足够的能量以克服势阱的能量。因此固体中质点的明显扩散常开始于较高的温度，但往往低于固体的熔点——扩散速率也远低于流体中的情况（2）固体中原子或离子依一定方式所堆积成的结构有一定的对称性和周期性，这也限制着质点每一步迁移的方向和自由行程迁移的自由程则只相当于晶格常数大小，且质点扩散往往具有各向异性。固体扩散的基本特点：二、扩散动力学方程——菲克定律

5、（一）、基本概念（1）扩散通量扩散通量——单位时间内通过单位横截面的粒子数。用J表示，为矢量（因为扩散流具有方向性）量纲：粒子数/（时间.长度2）单位：粒子数/（s·m2）与什么物理量相似稳定扩散稳定扩散是指在垂直于扩散方向的任一平面上，单位时间内通过该平面单位面积的粒子数一定，即任一点的浓度不随时间而变化，且扩散通量不随位置变化（2）稳定扩散和不稳定扩散非稳定扩散非稳定扩散是指扩散物质在扩散介质中浓度随时间发生变化，扩散通量与位置有关（二）、菲克第一定律1858年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourier）于

6、1822年建立的导热方程，获得了描述物质从高浓度区向低浓度区迁移的定量公式菲克第一定律要点：在扩散体系中，参与扩散的质点的浓度c因位置而异、且可随时间而变化。即浓度c是位置坐标x、y、z和时间t的函数，c(x,y,z,t)（1）第一定律宏观表达式：模型：假设有一单相固溶体，横截面积为A，浓度C不均匀，在Δt时间内，沿x轴方向通过x处截面所迁移的物质的量Δm与x处的浓度梯度ΔC/Δx成正比：C＝C2C2＞C1C＝C1x浓度CC2原始状态最终状态经扩散后距离x扩散过程中溶质原子的分布截面积A由扩散通量的定义，有（7.

7、1）上式即菲克第一定律式中J称为扩散通量常用单位是g/(cm2·s)或mol/(cm2·s)；是同一时刻沿x轴的浓度梯度；D是比例系数，称为扩散系数如果三维方向扩散，则D：比例系数，亦称为扩散系数，它表示单位浓度梯度下的扩散通量，量纲为L2T－1；负号：表示扩散方向与浓度梯度方向相反；：梯度算符用途：可直接用于求解扩散质点浓度分布不随时间变化的稳定扩散问题Notes：对于菲克第一定律，有以下三点值得注意：式（7.1）是唯象的关系式，其中并不涉及扩散系统内部原子运动的微观过程；扩散系数反映了扩散系统的特性，并不仅

8、仅取决于某一种组元的特性；式（7.1）不仅适用于扩散系统的任何位置，而且适用于扩散过程的任一时刻，因为J、D等可以是常量，也可以是变量（2）第一定律微观表达式：设：任选的参考平面1、平面2上扩散原子面密度分别n1和n2，原子在平衡位置的振动周期为，则一个原子单位时间内离开相对平衡位置跃迁次数的平均值，即跃迁频率，则：根据统计规律，质点向各个方向跃迁的几率