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1 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第十三章 扩散理论第十三章 扩散理论 2 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 本章内容本章内容 扩散的微观理论扩散的微观理论 扩散的电子理论扩散的电子理论 物理场下的扩散物理场下的扩散 扩散与结构扩散与结构 3 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 固体中原子及分子的运动固体中原子及分子的运动 物质的传输方式物质的传输方式物质的传输方式物质的传输方式 气体气体气体气体 扩散扩散扩散扩散 对流对流对流对流 固体固体固体固体 扩散扩散扩散扩散 液体液体液体液体 扩散扩散扩散扩散 对流对流对流对流 金属金属金属金属陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷 高分子高分子高分子高分子 键属金键属金键属金键属金 离离离离 子子子子 键键键键 共价键共价键共价键共价键 扩散机制不同扩散机制不同扩散机制不同扩散机制不同 4 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 To conserve matter Ficks First Law Governing Eqn. Concentration, C, in the box JrightJleft dx dC dt D d 2C dx 2 − dx − dC dt J −D dC dx or J left J right dJ dx − dC dt dJ dx −D d2C dx 2 if D does not vary with x equate 5 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第一节 扩散的微观理论第一节 扩散的微观理论 6 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 传质－扩散传质－扩散传质－扩散传质－扩散传热传热传热传热 微观、针对性理论微观、针对性理论微观、针对性理论微观、针对性理论 传能传能传能传能 宏观、普适性理论宏观、普适性理论宏观、普适性理论宏观、普适性理论 扩散第一、二定律扩散第一、二定律扩散第一、二定律扩散第一、二定律 结构变化过程结构变化过程结构变化过程结构变化过程动力学问题动力学问题动力学问题动力学问题 相关因子相关因子相关因子相关因子跃迁行规跃迁行规跃迁行规跃迁行规晶格类型晶格类型晶格类型晶格类型 扩散激活能扩散激活能扩散激活能扩散激活能扩散机制扩散机制扩散机制扩散机制交换、间隙、空位、位交换、间隙、空位、位交换、间隙、空位、位交换、间隙、空位、位 错、错、错、错、 晶界等晶界等晶界等晶界等 扩散激活熵扩散激活熵扩散激活熵扩散激活熵振动频率、晶格参数等振动频率、晶格参数等振动频率、晶格参数等振动频率、晶格参数等 扩散系数与扩散机制扩散系数与扩散机制扩散系数与扩散机制扩散系数与扩散机制 扩散系数与晶格类型、晶格参数、跃迁频率、激扩散系数与晶格类型、晶格参数、跃迁频率、激扩散系数与晶格类型、晶格参数、跃迁频率、激扩散系数与晶格类型、晶格参数、跃迁频率、激 活能、扩散机制等的关系活能、扩散机制等的关系活能、扩散机制等的关系活能、扩散机制等的关系 7 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 扩散扩散 无序扩散 自扩散 示踪扩散 晶格扩散 本征扩散 非本征扩散 互扩散 无序扩散 自扩散 示踪扩散 晶格扩散 本征扩散 非本征扩散 互扩散 没有化学浓度梯度的扩散，即无推动力 没有空位或原子流动，只有放射性离子的无 规则运动。 晶体体内或晶格内的任何扩散过程。 仅由本身的热缺陷作为迁移载体的扩散。 非热能引起，如杂质引起的缺陷而进行的扩散。 存在于化学位梯度中的扩散。 没有化学浓度梯度的扩散，即无推动力 没有空位或原子流动，只有放射性离子的无 规则运动。 晶体体内或晶格内的任何扩散过程。 仅由本身的热缺陷作为迁移载体的扩散。 非热能引起，如杂质引起的缺陷而进行的扩散。 存在于化学位梯度中的扩散。 8 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 晶界扩散 界面扩散 表面扩散 位错扩散 空位扩散 间隙扩散 体积扩散 晶界扩散 界面扩散 表面扩散 位错扩散 空位扩散 间隙扩散 体积扩散 指在指定区域内 原子或离子扩散 指在指定区域内 原子或离子扩散 属本征扩散 晶格内部扩散 属本征扩散 晶格内部扩散 扩散扩散 9 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第二节 扩散的电子理论第二节 扩散的电子理论 10 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 溶质屏蔽场与空位（位错、晶界）屏溶质屏蔽场与空位（位错、晶界）屏溶质屏蔽场与空位（位错、晶界）屏溶质屏蔽场与空位（位错、晶界）屏 蔽场的交互作用蔽场的交互作用蔽场的交互作用蔽场的交互作用 电子屏蔽理论应用电子屏蔽理论应用电子屏蔽理论应用电子屏蔽理论应用 改变邻近原子进入空位的概率、激活改变邻近原子进入空位的概率、激活改变邻近原子进入空位的概率、激活改变邻近原子进入空位的概率、激活 能、空位浓度、跃迁频率等能、空位浓度、跃迁频率等能、空位浓度、跃迁频率等能、空位浓度、跃迁频率等 影响扩散行为影响扩散行为影响扩散行为影响扩散行为 影响空位等的能量影响空位等的能量影响空位等的能量影响空位等的能量 11 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 解释杂质、第三组元对扩散系数的影响解释杂质、第三组元对扩散系数的影响解释杂质、第三组元对扩散系数的影响解释杂质、第三组元对扩散系数的影响 电子屏蔽理论应用电子屏蔽理论应用电子屏蔽理论应用电子屏蔽理论应用 扩散率相关于扩散率相关于扩散率相关于扩散率相关于 原子进入空位原子进入空位原子进入空位原子进入空位 等的概率等的概率等的概率等的概率 杂质改变空位浓度、激活能杂质改变空位浓度、激活能杂质改变空位浓度、激活能杂质改变空位浓度、激活能 、跃迁频率、跃迁频率、跃迁频率、跃迁频率 杂质屏蔽场、应力场与空位杂质屏蔽场、应力场与空位杂质屏蔽场、应力场与空位杂质屏蔽场、应力场与空位 的交互作用的交互作用的交互作用的交互作用 杂质、第三组元改变原子进入空位等的概率杂质、第三组元改变原子进入空位等的概率杂质、第三组元改变原子进入空位等的概率杂质、第三组元改变原子进入空位等的概率 ，因之，影响扩散系数。，因之，影响扩散系数。，因之，影响扩散系数。，因之，影响扩散系数。 与空位机制结合与空位机制结合与空位机制结合与空位机制结合 12 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第三节 物理场下的扩散第三节 物理场下的扩散 扩散驱动力问题扩散驱动力问题扩散驱动力问题扩散驱动力问题 13 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 应力梯度场应力梯度场应力梯度场应力梯度场 －弹性理论－弹性理论－弹性理论－弹性理论 温度梯度－温度梯度－温度梯度－温度梯度－ 热场热场热场热场 温度梯度作用温度梯度作用温度梯度作用温度梯度作用 下，不同原子下，不同原子下，不同原子下，不同原子 向热端的迁移向热端的迁移向热端的迁移向热端的迁移 速度差，造成速度差，造成速度差，造成速度差，造成 成分不均匀。成分不均匀。成分不均匀。成分不均匀。 溶质与位错溶质与位错溶质与位错溶质与位错 、晶界的弹、晶界的弹、晶界的弹、晶界的弹 性交互作用性交互作用性交互作用性交互作用 电位梯度－电位梯度－电位梯度－电位梯度－ 近自由电子近自由电子近自由电子近自由电子 理论理论理论理论 高价正离子带高价正离子带高价正离子带高价正离子带 正电，空位带正电，空位带正电，空位带正电，空位带 负电，电场作负电，电场作负电，电场作负电，电场作 用下反向运动用下反向运动用下反向运动用下反向运动 势能梯度使原子迁移势能梯度使原子迁移势能梯度使原子迁移势能梯度使原子迁移 能量下降能量下降能量下降能量下降第二定律第二定律第二定律第二定律 14 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 系统内部的物质在系统内部的物质在 浓度梯度浓度梯度 化学位梯度化学位梯度 应力梯度应力梯度 的推动力下，由于质点的热运动而 导致定向迁移，从宏观上表现为物 质的定向输送，此过程叫扩散。 的推动力下，由于质点的热运动而 导致定向迁移，从宏观上表现为物 质的定向输送，此过程叫扩散。 定义定义 15 材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 第四节扩散与结构第四节扩散与结构 16 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 扩散系数扩散系数扩散系数扩散系数D DD DO OOO 多数合金多数合金多数合金多数合金 晶界扩散晶界扩散晶界扩散晶界扩散 DDDD B B B B 少数合金少数合金少数合金少数合金 半导体半导体半导体半导体 杂质扩散速度杂质扩散速度杂质扩散速度杂质扩散速度 大于溶质几个大于溶质几个大于溶质几个大于溶质几个 数量级数量级数量级数量级 扩散与结构扩散与结构扩散与结构扩散与结构 体扩散体扩散体扩散体扩散 DDDD L L L L 表面扩散表面扩散表面扩散表面扩散 DDDD S S S S 非空位机制，非空位机制，非空位机制，非空位机制， 哑铃机制哑铃机制哑铃机制哑铃机制 扩散与晶体缺陷扩散与晶体缺陷扩散与晶体缺陷扩散与晶体缺陷 快扩散快扩散快扩散快扩散 17 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 1、 金属晶体中的体积扩散1、 金属晶体中的体积扩散 多数金属晶体中从能量角度分析多数金属晶体中从能量角度分析 空位机制空位机制 ΔG ＝ ΔGΔG ＝ ΔG mm ΔG ΔG f f/2 不同的金属→熔点↑ → ΔG ↑ → D↓ /2 不同的金属→熔点↑ → ΔG ↑ → D↓ 当间隙原子相对格位原子小到一定程度或晶格结构比 较开发时，间隙机构占 优势。 当间隙原子相对格位原子小到一定程度或晶格结构比 较开发时，间隙机构占 优势。 空位机制大部分离子晶体如 MgO、NaCl、FeO、CoO空位机制大部分离子晶体如 MgO、NaCl、FeO、CoO 间隙机制只有少数开放型晶体中存在 如CaF间隙机制只有少数开放型晶体中存在 如CaF2 2、UO、UO2 2中的F中的F－ －、O 、O2－ 2－ 一、 各种晶格类型原子的扩散一、 各种晶格类型原子的扩散 2、 离子晶体中扩散的两种机制2、 离子晶体中扩散的两种机制 18 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 1、多种扩散的含义1、多种扩散的含义 体积扩散D体积扩散Db b 晶格扩散，本征扩散 界面扩散D 晶格扩散，本征扩散 界面扩散Dg g 晶界扩散 相界扩散 表面扩散D 晶界扩散 相界扩散 表面扩散DS S 2、 界面对扩散的影响2、 界面对扩散的影响 D DS SDDg g D Db b 10 10-3 -3 10 10-7 -7 10 10-14 -14 cmcm2 2/s 例 Ag三种扩散的活化能 /s 例 Ag三种扩散的活化能 molKJQmolKJQmolKJQ Sgb /43/85/193 晶界、界面、表面扩散晶界、界面、表面扩散 19 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 1 i i ii LnN Ln KTBD ∂ ∂ ∂ ∂ γ γ 1、Nerst-Einstein1、Nerst-Einstein方程方程 2、2、扩散机制和扩散系数扩散机制和扩散系数 2/ exp. 0 RT HH DD fm Δ Δ Δ Δ −− exp. 0 RT H DD m Δ Δ −− 间隙扩散机制 一般形式 间隙扩散机制 一般形式 D＝DD＝D0 0exp－ΔG/RTexp－ΔG/RT 空位扩散机制空位扩散机制 扩散机制和扩散系数扩散机制和扩散系数 20 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 1对过渡金属非化学计量氧化物，氧分压增加， 有利于金属离子的扩散，不利于氧离子的扩散。 2 金属离子或氧离子扩散系数的温度关系在LnD －1/T直线均有相同的斜率。 1对过渡金属非化学计量氧化物，氧分压增加， 有利于金属离子的扩散，不利于氧离子的扩散。 2 金属离子或氧离子扩散系数的温度关系在LnD －1/T直线均有相同的斜率。 R H3/H 0m Δ Δ Δ Δ －－ 扩散机制和扩散系数扩散机制和扩散系数 21 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 非化学计量氧化物中同时考虑本征缺陷空位、杂质缺陷空 位以及由于气氛改变而引起的非化学计量空位对扩散系数 的贡献，nD－1/T图含两个转折点。 非化学计量氧化物中同时考虑本征缺陷空位、杂质缺陷空 位以及由于气氛改变而引起的非化学计量空位对扩散系数 的贡献，nD－1/T图含两个转折点。 E F LnD 1/T E F LnD 1/T R HHm3/ 0 Δ Δ Δ Δ − − R HmΔ Δ − − R HH fm 2/Δ Δ Δ − Δ − 本征扩散 非化学计量扩散 非本征扩散或杂质扩散 本征扩散 非化学计量扩散 非本征扩散或杂质扩散 扩散机制和扩散系数扩散机制和扩散系数 22 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 引用声明引用声明 本课件的基本内容引用国内外学者的专著、 教材、论文、课件、报告等，没有逐一注释，向 相关学者表示感谢。同时，请课件学习者注意， 十分谨慎使用引用声明而不逐一注释的方式。 本课件的基本内容引用国内外学者的专著、 教材、论文、课件、报告等，没有逐一注释，向 相关学者表示感谢。同时，请课件学习者注意， 十分谨慎使用引用声明而不逐一注释的方式。 陈铮陈铮 23 西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学西北工业大学材料学院陈铮博士生学位课近代物理冶金学 谢谢大家 谢谢大家 ----Thanks for your attention
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