信阳师范大学：《材料科学基础》课程教学资源（PPT课件）第六章 基本动力学过程——扩散

第六章扩散 第一节引言 第二节固体扩散机制及扩散动力学方程 第三节扩散系数 第四节影响扩散系数的因素

第六章 扩 散 第一节 引 言 第二节 固体扩散机制及扩散动力学方程 第三节 扩散系数 第四节 影响扩散系数的因素

扩散是物质内质点运动的基本方式，任何物系内的质点 都在做热运动。 ·扩散：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。 在气体和液体中，物质的传递方式除扩散外还可以通过 对流等方式进行；在固体中，扩散往往是物质传递的唯 一方式

扩散是物质内质点运动的基本方式，任何物系内的质点 都在做热运动。 ⚫ 扩散：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。 在气体和液体中，物质的传递方式除扩散外还可以通过 对流等方式进行；在固体中，扩散往往是物质传递的唯 一方式

扩散现象：大气污染、液体渗漏、半导体掺杂等现象， 就是有梯度存在情况下，气体在气体介质、液体在固 体介质中以及气体（或固体）在固体介质中的定向迁 移即扩散过程。 ·固体中发生的许多变化过程都与扩散密切相关：金 属的真空熔炼、金属高温蠕变以及金属的腐蚀、氧化； 无机非金属材料的制备与强化；高分子材料的加工与 改性

扩散现象：大气污染、液体渗漏、半导体掺杂等现象， 就是有梯度存在情况下，气体在气体介质、液体在固 体介质中以及气体（或固体）在固体介质中的定向迁 移即扩散过程。 ⚫ 固体中发生的许多变化过程都与扩散密切相关：金 属的真空熔炼、金属高温蠕变以及金属的腐蚀、氧化； 无机非金属材料的制备与强化；高分子材料的加工与 改性

固体中原子（或离子)的运动有两种不同的方式： >一种为大量原子集体的协同运动，或称机械运动； >一种为无规则的热运动，其中包括热振动和跳跃迁移。 所谓扩散是由于大量原子的热运动引起的物质的宏观迁 移

固体中原子（或离子）的运动有两种不同的方式： ➢ 一种为大量原子集体的协同运动，或称机械运动； ➢ 一种为无规则的热运动，其中包括热振动和跳跃迁移。 所谓扩散是由于大量原子的热运动引起的物质的宏观迁 移

一、从不同的角度对扩散进行分类 (1)按浓度均匀程度分： 有浓度差的空间扩散叫互扩散；没有浓度差的扩散叫自 扩散。 (2)按扩散方向分： 顺扩散：由高浓度区向低浓度区的扩散（下坡扩散）； 逆扩散：由低浓度区向高浓度区的扩散（上坡扩散)

一、从不同的角度对扩散进行分类 （1）按浓度均匀程度分： 有浓度差的空间扩散叫互扩散；没有浓度差的扩散叫自 扩散。 （2） 按扩散方向分： 顺扩散：由高浓度区向低浓度区的扩散（下坡扩散）； 逆扩散：由低浓度区向高浓度区的扩散（上坡扩散）

(3)按原子的扩散方向分： ●体扩散：在晶粒内部进行的扩散； ·表面扩散：在表面进行的扩散称为； ·晶界扩散：沿晶界进行的扩散称为。 表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多， 一般称前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

（3） 按原子的扩散方向分： ⚫ 体扩散：在晶粒内部进行的扩散； ⚫ 表面扩散：在表面进行的扩散称为； ⚫ 晶界扩散：沿晶界进行的扩散称为。 表面扩散和晶界扩散的扩散速度比体扩散要快得多， 一般称前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

二、扩散的推动力 当不存在外场时，晶体中粒子的迁移完全是由于热振动 引起的。只有在外场作用下，这种粒子的迁移才能形成 定向的扩散流。也就是说，形成定向扩散流必需要有推 动力，这种推动力通常是由浓度梯度提供的。 在普遍情况下，扩散推动力应是系统的化学位梯度；

二、扩散的推动力 当不存在外场时，晶体中粒子的迁移完全是由于热振动 引起的。只有在外场作用下，这种粒子的迁移才能形成 定向的扩散流。也就是说，形成定向扩散流必需要有推 动力，这种推动力通常是由浓度梯度提供的。 在普遍情况下，扩散推动力应是系统的化学位梯度；

7.1扩散动力学方程一菲克定律 7.1.1菲克第一定律 菲克参照傅里叶建立的导热方程，得出描述物质从高浓度区向 低浓度去迁移的定量公式。 假设有一单相固溶体，横截面积为A,浓度C不均匀。 C=C2 C:>C C=C 原始状态 最终状态 经扩散后 C 距离x一 图7.1扩散过程中溶质原子的分布

7.1 扩散动力学方程—菲克定律 7.1.1 菲克第一定律 菲克参照傅里叶建立的导热方程，得出描述物质从高浓度区向 低浓度去迁移的定量公式。 假设有一单相固溶体，横截面积为A，浓度C不均匀。 图 7.1 扩散过程中溶质原子的分布

在△时间内，沿x轴方向通过x处截面所迁移的物质 的量△m与处x的浓度梯度会C成正比： △C △mc A△t △X =-S

在△ t时间内，沿 x 轴方向通过 x 处截面所迁移的物质 的量△m 与处 x 的浓度梯度 成正比： A t x C m      ( ) x C D Adt dm   = −

7.1.2菲克第二定律 当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时， 利用式(7.1)不容易求出C(x,)。但通常的扩散过 程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的 平衡关系着手，建立第二个微分方程式

7.1.2 菲克第二定律 当扩散处于非稳态，即各点的浓度随时间而改变时， 利用式（7.1）不容易求出C (x, t)。但通常的扩散过 程大都是非稳态扩散，为便于求出，还要从物质的 平衡关系着手，建立第二个微分方程式