《无机材料科学基础》课程教学资源（PPT课件）第八章 扩散

河北联合大学第八章 扩散无机材料科学基础

河北联合大学 无机材料科学基础 第八章 扩散

扩散无机材料科学基础第八章扩散引言：晶体中原子或离子扩散的原因：在晶体热起伏的过程中，晶体的某些原子或离子由于振动剧烈而脱离格点进入晶格的间隙位置或晶体表面，同时在晶体内部留下空位。这些处于间隙位置上的原子或原格点上的空位并不会永久固定下来，它们将可以从热涨落的过程中重新获得能量，在晶体结构中不断地改变位置而出现由一处向另一出的无规则迁移运动。研究扩散的意义：扩散是晶体中发生物质输运的基础，研究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。扬北联后大学

扩散 引言： ◆晶体中原子或离子扩散的原因：在晶体热起伏的过程中，晶体的某些原子 或离子由于振动剧烈而脱离格点进入晶格的间隙位置或晶体表面，同时在晶 体内部留下空位。这些处于间隙位置上的原子或原格点上的空位并不会永久 固定下来，它们将可以从热涨落的过程中重新获得能量，在晶体结构中不断 地改变位置而出现由一处向另一出的无规则迁移运动。 ◆研究扩散的意义：扩散是晶体中发生物质输运的基础，研究固体中扩散的 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。 无机材料科学基础 第八章 扩散

扩散无机材料科学基础 第八章 扩散主要内容：、扩散的宏观规律扩散的微观机构三、扩散的热力学讨论四、影响扩散的因素扬北联后大零HDUREN

扩散 无机材料科学基础 第八章 扩散 主要内容： 一、扩散的宏观规律 二、扩散的微观机构 三、扩散的热力学讨论 四、影响扩散的因素

81扩散的宏观规律无机材料科学基础第八章扩散一、扩散现象定义：在有浓度梯度存在时，由高浓度向低浓度形成定向物质流，这种现象就是扩散现象。AG晶体和流体中扩散的区别：文口流体中的扩散具有很大的速率和完全的各向同性口晶体中扩散速率小，并且各向异性这是由于晶体中存在周期性势垒，不同方向自由程不同。海北联后大零

§1 扩散的宏观规律 一、扩散现象 无机材料科学基础 第八章 扩散 ◆定义：在有浓度梯度存在时，由高浓度向低浓度形 成定向物质流，这种现象就是扩散现象。 ◆晶体和流体中扩散的区别： 流体中的扩散具有很大的速率和完全的各向同性。 晶体中扩散速率小，并且各向异性。 这是由于晶体中存在周期性势垒，不同方向自由 程不同

81扩散的宏观规律无机材料科学基础第八章扩散二、扩散动力学方程一一菲克定律(一）基本概念1.扩散通量扩散通量一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）扬北联后大零

§1 扩散的宏观规律 二、扩散动力学方程——菲克定律 无机材料科学基础 第八章 扩散 （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）

S1扩散的宏观规律无机材料科学基础第八章扩散2、稳定扩散和不稳定扩散1）稳定扩散稳定扩散是指在垂直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ac=02）不稳定扩散at不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。扬北联后大学

§1 扩散的宏观规律 无机材料科学基础 第八章 扩散 2、稳定扩散和不稳定扩散 1）稳定扩散 稳定扩散是指在垂直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 2）不稳定扩散 不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。 = 0   t C

S1扩散的宏观规律无机材料科学基础第八章 扩散（二）菲克第一定律1858年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourier）于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。假设有一单相固溶体，横截面积为A，浓度C不均匀，在dt时间内，沿方向通过某处截面所迁移的物质的量与该处的浓度梯度成正比：ACdmA△tAm ocAxrAdt负号表示扩散的方向与浓度梯度相反西北联后大零

§1 扩散的宏观规律 无机材料科学基础 第八章 扩散 （二）菲克第一定律 1858年，菲克（Fick）参照了傅里叶（Fourier ）于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。 假设有一单相固 溶体，横截面积为A，浓度C不均匀，在dt时间内，沿 方向通过某处截面所迁移的物质的量与该处的浓度梯 度成正比： A t x C m      ( ) x C D Adt dm   = − 负号表示扩散的方向与浓度梯度相反

S1扩散的宏观规律无机材料科学基础 第八章 扩散C=CiC>CC=C22原始状态C2最终状态Ci经扩散后距离扩散过程中溶质原子的分布扬北联大学

§1 扩散的宏观规律 无机材料科学基础 第八章 扩散 扩散过程中溶质原子的分布

S1扩散的宏观规律无机材料科学基础 第八章 扩散C由扩散通量的定义，有CdcJ=-D9acdr(1)/Oxx上式即菲克第一定律溶质原子流动的方式中称为扩散通量常用单位是向与浓度降低的方向一致g/(cm2.s)或mol/(cm2.s)D是比例系数，称为扩散系数。海北联后大零

§1 扩散的宏观规律 无机材料科学基础 第八章 扩散 由扩散通量的定义，有 （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) D是比例系数，称为扩散系数。 x C J D   = − 溶质原子流动的方 向与浓度降低的方 向一致

81扩散的宏观规律讨论：对于菲克第一定律，有以下三点值得注意：（1）式（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（2）扩散系数反映了扩散系统的特性，并不仅仅取决于某一种组元的特性。（3）式（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。汤北联后大零

讨论： 对于菲克第一定律，有以下三点值得注意： （1）式（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。 （2）扩散系数反映了扩散系统的特性，并不 仅仅取决于某一种组元的特性。 （3）式（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。 §1 扩散的宏观规律