材料物理化学固体中的扩散ppt课件

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固体物理
固体物理学
晶粒间界
固体从蒸汽、溶液或熔体中结晶出来时，只有在一定条 件下，例如有籽晶存在时，才能形成单晶，而大多数固体属 于多晶体。多晶是由许多小晶粒组成。这些小晶粒本身可以 近似看作单晶，且在多晶体内做杂乱排列。多晶体中晶粒与 晶粒的交界区域称为晶粒间界.
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• 晶界结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差小 于10˚时，晶界称为小角晶界；当取向大于10˚时晶界称为 大角度晶界。实际的多晶材料一般都是大角度晶界，但 晶粒内部的亚晶界则是小角晶界。最简单的小角晶界是 对称倾斜晶界。
n D2n t
—— Fick第二定律
• 方程的解与初始条件和边界条件有关。
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１）恒定源扩散
N
初始条件：
0
n
x,
0
{
n0
N
0
x 0 x
x>
• 约束条件： n x,t dx N 0
nx,t
N
x2
Dt
exp
4Dt
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2）保持表面浓度不变
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第十二章 晶体中的缺陷与扩散
晶体缺陷（晶格的不完整性）：晶体中任何对完整周 期性结构的偏离就是晶体的缺陷。
按缺陷的几何形状和涉及范围将缺陷分为：点缺陷、 线缺陷和面缺陷。
1.点缺陷
点缺陷是在格点附近一个或几个晶格常量范围内的一 种晶格缺陷， 如空位、填隙原子、杂质等。
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F E
b
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三.扩散系数（cm2/s，m2/s） 1.无序扩散Dr：质点作布朗运动、不存在化学位梯度时的扩散。 特点：a.移动方向是无序的，无外场推动；b.由热起伏使原子 获得迁移活化能引起；c.不产生定向扩散流，每次跃迁与前次 无关。 1 2 Dr / 6 f r 2 6 f为跃迁频率，f=AoNvexp[-Gm/RT]，A比例常数，o振动 频率1013次/秒，Nv(空位)缺陷浓度，Gm跃迁(扩散)活化能。r 为每次跃迁距离，r=kao，ao晶格参数，Dr=1/6k2ao2f ，令γ=A/6 k2 ，γ结构因子 Dr=ao2oNvexp[-Gm/RT] 用扩散系数描述质点扩散： D↑→扩散↑； T↑、Nv↑、 Gm↓→D↑→扩散↑。
二、菲克定律与扩散动力学方程
1855年德国物理学家 A· 菲克（Adolf Fick）在研究大量扩散现象的基础 上，首先对这种质点扩散过程作出定量描述，得出著名的菲克定律，建立了 浓度场下物质扩散的动力学方程。
1.费克第一定律：稳定扩散的原子扩散通量与浓度梯度成正比。 一维方向： Jx=-Dc/x c c c J D C D(i j k ) 三维方向： x y z
§11-2 扩散的推动力
一、扩散的一般推动力
根据广泛适用的热力学理论，可以认为扩散过程与其他物 理化学过程一样，其发生的根本驱动力应该是化学位梯度。一 切影响扩散的外场（电场、磁场、应力场等）都可统一于化学 位梯度之中，且仅当化学位梯度为零，系统扩散方可达到平衡。 下面以化学位梯度概念建立扩散系数的热力学关系（能斯特-爱 因斯坦公式） 。
2. 晶界的内吸附
晶界能量比晶粒内部高，如果溶质原子位于晶界上，可降低体系总能 量，它们就会扩散而富集在晶界上。
3 .固溶体中发生某些元素的偏聚

• 测定的数据对研究材料的传质有重要意义
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自扩散系数测定
• 考虑温度和气氛压力对自扩散系数影响，加
压时自扩散系数D*p与不加压时的自扩散系数
D*关系D为p*=
（14）
P：所加D压*·力e；xpΔ[(VPf：·Δ每V摩f+尔P·缺Δ陷Vm形)/成(R时·T所)增] 加的晶体体积
；ΔVm：每摩尔缺陷位移时所增加的晶体
• 在220℃的铜，每1cm3中只有2×103个空位，而接近
熔点的铜（1000℃），每1cm3中就有5×1018个空位
• 空位平衡浓度CV为
Cv=exp(ΔSv/k）·exp(-ΔEv/kT）（5）
• 若晶体中原子的配位数为Z，在空位浓度CV的情况下
，每个原子在单位时间内跃迁的频率为
f=ν·Z ·P ·C v
系（数1）急温剧度增升大高，借助热起伏，获得足够能量越过势垒
进行扩散的原子的几率增大
（2）温度升高空位浓度增大，有利于扩散
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温度对扩散系数的影响
• 对式（14）[D＝D0exp(-Q/RT) ]取对数，得到方程
lnD=lnD0-(Q/R) ·(1/T)
（16 ）
• lnD－1/T呈直线关系;测出直线斜率之后就可求出Q值
散系数
（12）
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自扩散系数测定
• 要测定氧化物等材料中的非金属原子的自扩 散系数，可采用气氛法
• 将材料置于含有示踪原子的非金属原子气氛 中，加热扩散，由于气体数量远远大于试样 质量，示踪原子扩散时可以认为示踪剂在试 样 度表分C面布=的如C0浓式·[1度（－不1e3r变）f(x。/√于(4·是D·扩t))散] 的示踪原（1子3）浓

材料是全球新技术革命的四大标志之一 （新材料技术、新能源技术、信息技术、 生物技术）。
什么是材料科学？
材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、 热力学、动力学、量子力学、冶金、化工为理论基础的边 缘交叉基础应用学科，它运用电子显微镜、X-射线衍射、 热谱、电子离子探针等各种精密仪器和技术，探讨材料的 组成、结构、制备工艺和加工使用过程与其机械、物理、 化学性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共 性的一门学科。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、 硅石、菱镁矿、白云母等）为原料制造的。
3. 有机高分子材料（高聚物）
高聚物是由一种或几种简单低 分子化合物经聚合而组成的分子量 很大的化合物。高聚物的种类繁多， 性能各异，其分类的方法多种多样。 按高分子材料来源分为天然高分子 材料和合成高分子材料；按材料的 性能和用途可将高聚物分为橡胶、 纤维、塑料和胶粘剂等。
特种玻璃（亦称为新型玻璃）是指采用精制、高 纯或新型原料，通过新工艺在特殊条件下或严格控制 形成过程制成的一些具有特殊功能或特殊用途的玻璃。
特种玻璃包括SiO2含量在85%以上或55%以下的硅 酸盐玻璃、非硅酸盐氧化物玻璃（硼酸盐、磷酸盐、 锗酸盐、碲酸盐、铝酸盐及氧氮玻璃、氧碳玻璃等）、 非氧化物玻璃（卤化物、氮化物、硫化物、硫卤化物、 金属玻璃等）以及光学纤维等。
复合材料的种类繁多，目前还没有统 一的分类方法，下面根据复合材料的三要素 来分类。按基体材料分类，有金属基复合材 料，陶瓷基复合材料，水泥、混凝土基复合 材料，塑料基复合材料，橡胶基复合材料等； 按增强剂形状可分为粒子、纤维及层状复合 材料；依据复合材料的性能可分为结构复合 材料和功能复合材料。
0.1.2 根据材料的性能分类
功能材料是具有优良的电学、磁学、光 学、热学、声学、力学、化学和生物学 功能及其相互转化的功能，被用于非结 构目的的高技术材料。