第5章 固体中的扩散ppt课件.ppt

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1、第五章固体中的扩散主要内容第一节概述第二节宏观动力学方程第三节扩散机理和扩散系数第四节影响扩散系数的因素第一节概述一、扩散的基本概念由热运动引起的物质内部质点迁移过程称为扩散。当物质内部不存在吉布斯函数(自由能)梯度(具体如浓度梯度、应力梯度、化学梯度和其它梯度)时，由于不同方向的统计扩散速率相等，因此扩散不导致任何宏观现象；若物质内部存在吉布斯自由能梯度，则由于不同方向的统计扩散速率不相等，因此表现为物质发生宏观定向输送。扩散是一种传质过程。扩散质点的无规行走轨迹第一节概述二、扩散的分类1.按浓度均匀

2、程度分类互扩散：存在浓度差时发生的扩散；自扩散：不存在浓度差时发生的扩散[物质内部质点以热运动为推动力在物质内部向特定方向所进行的迁移过程]。2.按扩散方向分类顺扩散：由高浓度区向低浓度区的扩散，又称下坡扩散;逆扩散：由低浓度区向高浓度区的扩散，又称上坡扩散。第一节概述3.按扩散范围分类体扩散：在晶粒内部进行的扩散；表面扩散：在表面进行的扩散；晶界扩散：沿晶界进行的扩散。表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多，所以称为“短程扩散”。此外，沿位错线，层错面的扩散也属于“短程扩散”。第一节概述三、扩散

3、的基本特点1.流体(气体、液体)中的扩散(1)由于流体中质点间的相互作用较弱，又无确定的结构，因此，质点的迁移完全随机地朝三维空间的任意方向发生，而每一步迁移的自由行程也随机地决定于该方向上最邻近质点的距离；(2)流体的质点密度越低(如在气体中)，质点迁移的自由程也就越大。(3)流体中的扩散传质过程往往总是具有很大的速率和完全的各向同性。8/27/20216第一节概述2.固体中的扩散(1)固体质点之间作用力较强，开始发生明显扩散所需的温度较高，但低于熔点；(2)固体是凝聚体，质点以一定方式堆积，质点迁移

4、必须越过势垒，扩散速率较低；(3)晶体中质点扩散各向异性，迁移自由程相当于晶格常数大小。间隙原子扩散势场示意图第一节概述四、研究扩散的意义由于固体不能发生对流传质，扩散是固体传质的唯一方式，因此，扩散在固体研究中具有特别重要的意义。固体材料制备和应用中的很多重要的物理化学过程都与扩散有关系。例如，固溶体的形成、离子晶体的导电性、材料的热处理、相变过程、氧化、固相反应、烧结、金属陶瓷材料的封接、金属材料的涂搪与耐火材料的侵蚀。因此研究认识固体中扩散的基本规律对于制备和生产具有特定性能的固体材料具有十分重要

5、的意义。第二节宏观动力学方程一、基本概念1.扩散通量定义：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-1·cm-2或粒子数·s-1·m-28/27/20219第二节宏观动力学方程2.稳定扩散和不稳定扩散稳定扩散：扩散物质在扩散层内各处的浓度不随时间而变化，即。不稳定扩散：扩散物质在扩散层内各处的浓度随时间而变化，即。第二节宏观动力学方程二、扩散动力学方程1.费克第一定律1858年，费克(Fick)参照傅里叶(Fourier

6、)于1822年建立的导热方程，获得了描述物质从高浓度处向低浓度处扩散的定量公式。如右图所示，若扩散粒子在扩散介质中的浓度分布不均匀，那么，扩散粒子将会自动地从高浓度处向低浓度处扩散。8/27/202111这时，扩散粒子沿x方向通过x处横截面扩散的数量(dm)与x处的浓度梯度(dc/dx)、横截面面积(A)及扩散时间(dt)成正比：表示扩散向浓度减小的方向进行上式即费克第一定律。第二节宏观动力学方程8/27/202112第二节宏观动力学方程式中J——扩散通量，即单位时间内通过垂直于x轴的单位平面

7、的扩散质点的物质的量，粒子数·cm-2·s-1；dc/dx——沿扩散方向的浓度梯度，mol·L-1·cm-1；D——扩散系数，其大小取决于扩散质点的性质(半径、电荷、极化性能等)和基质的构造(结构紧密程度、缺陷密度等)，cm2·s-1。定律含义：(1)浓度梯度是扩散的推动力；(2)单位时间内通过垂直于扩散方向的单位面积上扩散的物质数量和浓度梯度成正比。第二节宏观动力学方程一般地，由于扩散有方向性，J为矢量,因此费克第一定律的三维表达式为：菲克第一定律是定量描述质点扩散的基本方程。它适用于稳定扩散也适用于

8、不稳定扩散，是不稳定扩散动力学方程(费克第二定律)建立的基础。2.扩散系数与质点跃迁晶体中一维扩散的微观模型如右图所示：在晶体中，处于热振动状态的质点，若其振幅超过一定限度，将会从一个相对平衡位置跃迁到相邻的另一个相对平衡位置。设质点的跃迁周期为τ，则跃迁频率Γ为：Γ＝1/τ第二节宏观动力学方程8/27/202115根据统计规律，质点在各个方向跃迁的概率是相等的，那么，在三维直角坐标系中，向任一坐标轴方向跃迁的频率为。由于每个坐标轴有正、负