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6.6 Factors affecting diffusion课程教案、知识点、字幕

同学们好

本章的最后一部分

我们来学习影响扩散的因素

材料内部质点的扩散

将导致材料微观结构的变化

从而影响了材料的性能

从前几节的讨论中

可以看到诸多因素

如材料的组成结构

温度等都对扩散产生不可忽略的作用

那我们来看第一个影响因素

晶体组成的复杂性

晶体组成的复杂性

在大多数实际固体材料中

往往具有多种化学成分

因而整个扩散并不局限于

某一种原子或离子的迁移

而可能是一种集体行为

两种或两种以上的原子或离子会同时参与

所以实测得到的相应扩散系数

已不再是自扩散系数

而应是互扩散系数

互扩散系统中

每一种扩散组成与扩散介质会相互作用

每一种扩散组成与扩散介质会相互作用

同时各种扩散组分彼此间也会发生相互作用

所以说晶体组成越复杂

对扩散的影响也就越大

第2个是化学键的影响

那不同的固体材料化学键不同

它扩散系数是不同的

通过之前的学习

我们已经知道

在金属键离子键或共价键材料中

空位扩散机制始终是主导的迁移方式

且其扩散活化能由两部分构成

包括空位形成能和原子迁移能

所以随着材料熔点的升高

扩散激活能增大

扩散激活能增大

扩散系数减小

但当间隙原子很小

or the interstitial voids are relatively large,

或晶格结构比较开放时

间隙机制占优势

例如碳氮氧等原子在多数金属材料中的扩散

属于间隙扩散

又如在萤石CaF2结构中

F-是间隙扩散

在这种情况下

原子迁移的活化能与材料的熔点并没有明显关系

原子迁移的活化能与材料的熔点并没有明显关系

原子迁移的活化能与材料的熔点并没有明显关系

原子迁移的活化能与材料的熔点并没有明显关系

第3个晶体结构的影响

首先晶体结构类型对扩散系数有影响

一般地结构堆积越紧密

在其中扩散越不容易

特别是在具有同位素异构转变的金属中

结构不同

结构不同

其自扩散系数完全不同

其自扩散系数完全不同

例如在910 ºC时

α-Fe的自扩散系数为γ-Fe的280倍

其次固溶体的类型也会影响扩散系数

间隙固溶体中

间隙是固有的

因此间隙扩散可以直接发生

而置换固溶体中

首先要形成空位置换原子才能通过空位机制扩散

因此置换型原子的扩散活化能

要远远大于间隙原子

第三个方面是晶体各向异性的影响

也会导致出现不同的扩散速率

也会导致出现不同的扩散速率

第四个是晶体结构缺陷的影响

一般晶界上原子排列比较混乱

存在着较多的缺陷

能量非常大

而在表面上的缺陷数量也就更多

实验表明

材料中原子或离子在晶界上的扩散

远快于在晶粒内部的扩散

表面上扩散最容易进行

表面扩散系数Ds大于晶界扩散系数Dg

大于晶格或者体积扩散系数Db

如图所示是

α-氧化铝中离子的自扩散系数的比较

可以看出

可以看出

多晶氧化铝的扩散系数

要大于单晶扩散系数

这是因为多晶氧化铝里边存在着很多的晶界

晶界促进了氧离子的扩散

而且要注意晶界

对离子的扩散有选择性的增强作用

对离子的扩散有选择性的增强作用

例如在Fe2O3CoOSrTiO3材料中晶界或位错

有增强O2-离子的扩散作用

有增强O2-离子的扩散作用

而在BeOUO2Cu2O和(ZrCa)O2等材料中则无此效应

这种晶界对离子扩散的选择性增强作用

与晶界区域内电荷分布密切相关

如图所示

对金属银中Ag原子的DbDg和Ds进行了比较

对金属银中Ag原子的DbDg和Ds进行了比较

其活化能数值大小各为19385和43kJ/mol

显然活化能的差异

与结构缺陷之间的差别是相对应的

那么在离子化合物中

晶格扩散晶界扩散和表面扩散

它们的活化能之间有这样的一个比例关系

因此多晶体的扩散系数

大于单晶体的扩散系数

除晶界以外

晶粒内部存在的各种位错

也往往是原子容易移动的途径

结构中位错密度越高

对原子(或离子)扩散的贡献越大

第4个是温度的影响

由扩散系数的一般表达式D=D0exp(-DG/RT) 可知

扩散系数与温度呈指数关系

扩散系数与温度呈指数关系

温度越高

温度越高

原子的能量越大

越容易跃迁

扩散系数越大

同时扩散活化能Q值越大

说明温度对扩散系数的影响越敏感

如图给出了一些常见离子扩散系数随温度的变化关系

如图给出了一些常见离子扩散系数随温度的变化关系

扩散系数都是随着温度的升高而增大的

温度和热过程对扩散影响的另一种方式

是通过改变物质结构来达成的

是通过改变物质结构来达成的

例如在硅酸盐玻璃中

Na^+ K^+ Ca^2+ 等在玻璃中的扩散系数

与玻璃的热历史密切相关

在淬冷的玻璃中

扩散系数一般高于

同组成充分退火的玻璃中的扩散系数

两者可相差一个数量级或更多

这与玻璃中网络结构疏密程度有关

如图给出了硅酸盐玻璃中

Na+的扩散系数随温度升高的变化规律

Na+的扩散系数随温度升高的变化规律

中间出现的非线性区域是因为

玻璃的形成是在一定温度区间Tg-Tf之间完成的

此时熔体和玻璃体混溶

结构发生了变化

结构发生了变化

对于晶体材料

对于晶体材料

温度和热历史对扩散也可以引起类似的影响

如晶体从高温急冷时

高温时所出现的高浓度Schottky空位将在低温下保留下来

并在较低温度范围内显示出本征扩散

最后一个影响因素就是杂质的影响

利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的主要途径

一般而言高价阳离子的引入

可造成晶格中出现阳离子空位并产生晶格畸变

可造成晶格中出现阳离子空位并产生晶格畸变

从而使阳离子扩散系数增大

而且我们前面也学习了

而且我们前面也学习了

当杂质含量增加

当杂质含量增加

非本征扩散与本征扩散温度转折点升高

这表明在较高温度时

杂质扩散仍占优势

杂质扩散仍占优势

然而必须注意的是

若所引入的杂质与扩散介质形成化合物

或发生淀析

则将导致扩散活化能升高

则将导致扩散活化能升高

使扩散速率下降

总之关于杂质对扩散的影响

必须综合考虑众多因素

如晶体结构缺陷缔合

晶格畸变等

好 以上就是影响扩散的因素

在生产实际中

我们必须充分考虑这些影响因素

我们必须充分考虑这些影响因素

从而提高材料的扩散性能

从而提高材料的扩散性能

Fundamentals of Inorganic Materials Science课程列表:

1 Introduction

-Introduction

-introduction

-Test for chapter 1

2 Crystal Imperfection

-2.1 Type of defect

--2.1 Types of point defects

--2.1 Types of point defects

-2.2.1 The expression methods of point defects

--2.2.1 The expression methods of point defects

--2.2.1 The expression methods of point defects

-2.2.2 The rules for writing of defect reaction equation

--2.2.2 The rules for writing of defect reaction equation

--2.2.2 The rules for writing of defect reaction equation

-2.3 Calculation of thermal defect concentration

--2.3 Calculation of thermal defect concentration

--2.3 Calculation of thermal defect concentration

-2.4 Non-stoichiometric compounds

--2.4 Non-stoichiometric compounds

--2.4 Non-stoichiometric compounds

-Homework for chapter 2

-Test for chapter 2

3 Solid solution

-3.1 The classification of solid solutions

--3.1 The classification of solid solutions

--3.1 The classification of solid solutions

-3.2 Substitutional solid solution

--3.2 Substitutional solid solution

--3.2 Substitutional solid solution

-3.3 Interstitial solid solution

--3.3 Interstitial solid solution

--3.3 Interstitial solid solution

-3.4 The research method of solid solutions

--3.4 The research method of solid solutions

--3.4 The research method of solid solutions

-3.5 Questions for crystal imperfection and solid solution

--Questions for crystal imperfection and solid solution

-Homework for chapter 3

-Test for chapter 3

4 Melt and glass

-4.1 Melt structure

--4.1 Melt structure

--4.1 Melt structure

-4.2 The properties of the melt

--4.2.1 The properties of the melt_viscosity

--4.2.2 The properties of the melt_surface tension

--4.2 The properties of the melt

-4.3 The characteristics of glass

--4.3 The characteristics of glass

--4.3 The characteristics of glass

-4.4 The formation of glass

--4.4.1 The formation of glass_kinetics conditions

--4.4.2 The formation of glass_crystal chemical conditions

--4.4 The formation of glass

-4.5 The structure of glass

--4.5 The structure of glass

--4.5 The structure of glass

-4.6 The typical glass

--4.6 The typical glass

--4.6 The typical glass

-4.7 Questions for melt and glass

--Questions for melt and glass

-Test for chapter 4

5 Phase equilibrium

-5.1 Phase equilibrium in silicate systems

--5.1 Phase equilibrium in silicate system

--5.1 Phase equilibrium in silicate system

-5.2 One-component system phase diagram

--5.2 One-component system phase diagram

--5.2 One-component system phase diagram

-5.3 Applications of one-component diagrams

--5.3 Applications of one-component diagrams

--5.3 Applications of one-component diagrams

-5.4 Binary diagrams

--5.4.1 Binary diagram with eutectic point

--5.4.2 Binary system with a congruent melting compound and one with an incongruent melting compound

--5.4.3 Other five types of phase diagrams of binary systems

--5.4 Binary diagrams

-5.5 Applications of binary phase diagrams

--5.5 Applications of binary phase diagrams

--5.5 Applications of binary phase diagrams

-5.6 Ternary diagrams

--5.6.1 Representation of ternary system composition

--5.6.1 Representation of ternary system composition

--5.6.2 Three-dimensional state diagram and plane projection diagram of a simple ternary system

--5.6.2 Three-dimensional state diagram and plane projection diagram of a simple ternary system

--5.6.3 (1) Basic types of ternary phase diagrams

--5.6.3 (2) Basic types of ternary phase diagrams

--5.6.3 (3) Basic types of ternary phase diagrams

--5.6.3 Basic types of ternary phase diagrams

-5.7 Applications of ternary phase diagrams

--5.7 Applications of ternary phase diagrams

--5.7 Applications of ternary phase diagrams

-5.8 Research methods of phase equilibrium

--5.8 Research methods of phase equilibrium

--5.8 Research methods of phase equilibrium

-5.9 Questions for phase equilibria

--Questions for phase equilibria

-Homework for chaper 5

-Test for chapter 5

6 Diffusion

-6.1 Overview of diffusion

--6.1 Overview of diffusion

--6.1 Overview of diffusion

-6.2 The kinetic equations of diffusion

--6.2 The kinetic equations of diffusion

--6.2 The kinetic equations of diffusion

-6.3 The thermodynamic equation of diffusion

--6.3 The thermodynamic equation of diffusion

--6.3 The thermodynamic equation of diffusion

-6.4 Diffusion mechanisms and diffusion coefficient

--6.4 Diffusion mechanisms and diffusion coefficient

--6.4 Diffusion mechanisms and diffusion coefficient

-6.5 Diffusion in solid

--6.5 Diffusion in solid

--6.5 Diffusion in solid

-6.6 Factors affecting diffusion

--6.6 Factors affecting diffusion

--6.6 Factors affecting diffusion

-6.7 Questions for diffusion

--Questions for diffusion

-Homework for chaper 6

-Test for chapter 6

7 Solid state reactions

-7.1 Overview of solid state reactions

--7.1 Overview of solid state reactions

--7.1 Overview of solid state reactions

-7.2 Kinetic equation of solid state reaction

--7.2 Kinetic equation of solid state reaction

-7.3 Factors affecting the solid state reaction

--7.3 Factors affecting the solid state reaction

--7.3 Factors affecting the solid state reaction

-Homeword for chapter 7

8 Phase transformation

-8.1 The categories of phase transformation

--8.1 The categories of phase transformation

--8.1 The categories of phase transformation

-8.2 Crystallization

--8.2.1 Crystallization thermodynamics

--8.2.2 Crystallization kinetics

--8.2 Crystallization

-8.3 Phase Separation of glass

--8.3 Phase separation of glass

--8.3 Phase separation of glass

-8.4 Questions for phase transformation

--Questions for phase transformation

-Test for chapter 8

9 Sintering

-9.1 Overview of sintering

--9.1 Overview of sintering

--9.1 Overview of sintering

-9.2 The driving forces and models of sintering

--9.2 The driving forces and models of sintering

--9.2 The driving forces and models of sintering

-9.3 Solid state sintering

--9.3.1 Evaporation-Condensation mass transfer

--9.3.2 Diffusion mass transfer

--9.3 Solid state sintering

-9.4 Liquid phase sintering

--9.4.1 Flow mass transfer

--9.4.2 Solution-Precipitation mass transfer

--9.4 Liquid phase sintering

-9.5 Grain growth and secondary recrystallization

--9.5.1 Grain growth

--9.5.2 Secondary recrystallization

--9.5 Grain growth and secondary recrystallization

-9.6 Factors affecting sintering

--9.6 Factors affecting sintering

--9.6 Factors affecting sintering

-9.7 Questions for sintering

--Questions for sintering

-Homework for chapter 9

-Test for chapter 9

6.6 Factors affecting diffusion笔记与讨论

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