基本动力学过程扩散.pptxVIP

基本动力学过程扩散;（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。 ;（2）物质聚集状态与传质方式比较：;按浓度均匀程度分：互扩散：有浓度差的空间扩散自扩散：没有浓度差的扩散;7.2 扩散动力学方程——菲克定律;一、基本概念  （1） 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： g/(cm2·s)或mol/(cm2·s);　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。 ;二、 菲克第一定律;“-”号表示扩散方向为浓度梯度的反方向，即扩散由高浓度向低浓度区进行。; 菲克第一定律 J─ 称为扩散通量，常用单位是g/(cm2·s)或mol/(cm2·s) ； 　　单位时间内通过垂直于x轴的单位面积的原子数量;注意：;注意：;;三、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（1）不容易求出。但通常的扩散过程大都是非稳态扩散。为便于求解，还要从物质的平衡关系着手，建立第二个微分方程式。; 　菲克第二定律的讨论前提： 系统无源， 满足质量守恒； 散度不等于0，某组元浓度在局部有所增加或减少。;如图所示，在扩散方向上取体积元 　 　和 分别表示流入体积元及从体积元流出的扩散通量，则在Δt时间内，体积元中扩散物质的积累量为;三维的菲克第二定律形式：;;在扩散系统中，若对于任一体积元，在任一时刻注入的物质量与流出的物质量相等，即任一点的浓度不随时间而变化，即：;稳态扩散及其应用;;H在金属膜中的分布为：;例2： 一个用来在气流中分隔氢的塑料薄膜，稳态时在膜的一侧氢的浓度为0.025mol/m3，在膜的另一侧为0.0025mol/m3，膜的厚度为100μm。穿过膜的氢的流量是2.25×10-6 mol/(m2×s)，计算氢的扩散系数。 ;7.3当锌向铜内扩散时，已知在x点处锌的含量为2.5×1017个锌原子/cm3， 300 ℃时每分钟每mm2要扩散60个锌原子，求与x点相距2mm处???原子的浓度。（已知锌在铜内的扩散体系中D0=0.34×10-14m2／s ； Q= 18.81KJ／mol ／mol ）;7.6在钢棒的表面，每20个铁的晶胞中含有一个碳原子，在离表面1mm处每30个铁的晶胞中含有一个碳原子，知铁为面心立方结构(a=0.365nm),1000 ℃时碳的扩散系数为3×10-1m2／s ，求每分钟内因扩散通过单位晶胞的碳原子数是多少 ?; 7.4 扩散的微观理论;扩散系数D是衡量原子扩散能力的非常重要的参数。要建立扩散系数D与扩散的其他宏观量和微观量之间的联系。 ;（1）易位扩散机制 ;（2）环形换位扩散机制;（3）空位扩散机制;（4）间隙机制;（5）亚间隙扩散机制;;第35页/共90页;讨论：1.易位扩散所需的活化能最大。2. 空位扩散和间隙扩散是最常见的扩散机理。;自由行程：质点的每一步迁移与其它质点发生碰撞之前所行走的路程 。;固体扩散的基本特点： （1）构成固体的所有质点均束缚在三维周期性势阱中，故质点的第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。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；;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τ，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Г，则： ;根据统计规律，质点向各个方向跃迁的几率是相等的 。;;（1）无序扩散系数和自扩散系数 （2）空位扩散系数和间隙扩散系数 （3）本征扩散与非本征扩散 （4）非化学计量氧化物中的扩散;（1）无序扩散系数和自扩散系数;; 体心立方结构的空位扩散机构，若空位在顶角位置，顶角空位向体心质点跃迁，;则：;推广：;自扩散系数（D）;由于面心质点跃迁到顶角空位的几率为1/12，体心质点跃迁到顶角空位的几率为1/8，则考虑原子间相互作用，质点自扩散系数D为： D ＝ f Dr 式中 f —— 相关因子，取决于晶体结构。 ;（1）空位扩散系数;（1）空位扩散系数 单质肖特基空位浓度为： MX型离子晶体肖特基空位浓度为： ;;;（2）间隙扩散机构;置换型固溶体; 在离子晶体中，点缺陷主要来自两方面：（1）本征点缺陷 —— 引起的扩散为本征扩散（2）掺杂点缺陷——引起的扩散为非本征扩散