扩散的微观机制和扩散路径

扩散机制与扩散工艺条件及方法说实话扩散机制与扩散工艺条件及方法这事，我一开始也是瞎摸索。

我就先跟你说扩散机制吧。

这就好比人在一群人中传播消息，总是从近的地方开始，慢慢远一点的地方才知道。

原子或者分子的扩散也是这样，从浓度高的地方往浓度低的地方传播。

就像我以前做一个小实验，我有一杯糖水，我放了一块方糖在里面不搅拌，开始糖就在周围化，慢慢周围很甜了才继续扩大范围。

这就是比较简单的扩散机制体现，不过这只是打个比方，真正到微观层面要复杂得多。

然后说扩散工艺条件呢。

温度可是个特别关键的条件。

我曾经试过在不同温度下做扩散相关的实验。

温度低的时候啊，感觉那些要扩散的粒子就像大冬天不想出门的懒虫似的，扩散得超级慢。

温度一升高呢，就好比运动健儿得了冠军，那活力四射，扩散速度一下子就上去了。

不过温度也不是越高越好，就像你煮饭，火太大饭会糊，这里也是，温度高可能会带来一些不好的反应。

再说压力这个条件。

实际上我一直不太确定压力到底怎么准确把握对扩散是最好的。

我猜就和人在不同压力环境下的工作效率差不多的道理吧。

压力小的时候，可能扩散就是比较松散，压力大的时候，就像大家挤在一起，扩散的空间小了，那方式肯定也不一样。

说到扩散方法，我试过好几种。

有一种是通过物理的搅拌来促进扩散。

比如说你有一杯有沙子沉淀的水，你搅拌一下，沙子很快就分散开了。

在微观层面也可以通过类似的方式来让物质扩散得更快。

还有化学添加物的方法，就像是找个中间人帮忙。

我曾经试过在一个扩散体系里加了一种特殊的化学物质，然后扩散就更快更稳定了，我猜这个化学物质就像是给那些要扩散的粒子修了一条高速公路一样。

气氛也很重要啊，就像你在不同的空气环境中呼吸的感觉不一样。

在有氧和无氧的氛围下做扩散实验，得出的结果差很多呢。

不过这里我也是慢慢摸索才知道要控制好气氛这个条件的。

刚开始没注意气氛，结果实验结果总是不稳定，做了好多次才发现是这个环节出了问题。

这就是我关于扩散机制与扩散工艺条件及方法的一点摸索经验啦。

第二章 缺陷与扩散§2。

1 扩散的基本知识扩散系数与温度的关系可以用)exp()exp(00kThD kT g D D ∆-•=∆-•= 式2-1-1 来描述。

其中的h ∆为晶格中的原子从一个稳定位置移动到另一个相邻的稳定位置之间要克服的能垒。

扩散系数的单位是sec /2cm ，它反映了某物质在一定情况下扩散的难易程度。

反映扩散规律的基本公式为菲克第一和第二定律：菲克第一定律：C D J →→→∇•-=，式中的→J 是扩散通量，单位为sec)/(2•cm g 或sec)/(2•cm mol ；C 是扩散物质的浓度；负号表示扩散方向与浓度梯度方向相反。

第一定律适用于稳态扩散的情况，对三维扩散，)(zCD y C D x C D J z y x∂∂+∂∂+∂∂-=→；对一维扩散，xCD J x∂∂-=→。

菲克第二定律：A R C V C D tC +•∇•-••∇=∂∂→→)(2，描述了浓度随时间的变化规律。

式中右边的第一项表示直接和物质的扩散性质有关的影响；第二项表示体系运动的影响；第三项表示体系中化学反应的影响。

晶体中的扩散路径为： 1）表面扩散 2）晶界扩散 3）位错扩散 4）晶格扩散若用l d g s Q Q Q Q ,,,分别代表单独通过这四种路径扩散所需能量，用l d g s D D D D ,,,分别代表这四种扩散途径的扩散系数，则有：l d g s Q Q Q Q <<<，l d g s D D D D >>>。

可见扩散由1）到4）是由易到难的，故一般情况下晶体内的扩散以晶格扩散为控速环节。

§2。

2 扩散驱动力扩散的驱动力是体系中存在的化学位梯度。

从微观角度考虑：体系中的A 物质沿x 方向扩散时，作用在每一个原子上的力为：xG N F Aa ∂∂•-=1 式2-2-1 其中的A G 是体系中某位置A 原子的摩尔化学位，a N 是阿佛加德罗常数。

1扩散定律及其应用物质中的原子随时进行着热振动，温度越高，振动频率越快。

当某些原子具有足够高的能量时，便会离开原来的位置，跳向邻近的位置，这种由于物质中原子（或者其他微观粒子）的微观热运动所引起的宏观迁移现象称为扩散。

在气态和液态物质中，原子迁移可以通过对流和扩散两种方式进行，与扩散相比，对流要快得多。

然而，在固态物质中，扩散是原子迁移的唯一方式。

固态物质中的扩散与温度有很强的依赖关系，温度越高，原子扩散越快。

实验证实，物质在高温下的许多物理及化学过程均与扩散有关，因此研究物质中的扩散无论在理论上还是在应用上都具有重要意义。

物质中的原子在不同的情况下可以按不同的方式扩散，扩散速度可能存在明显的差异，可以分为以下几种类型。

①化学扩散和自扩散：扩散系统中存在浓度梯度的扩散称为化学扩散，没有浓度梯度的扩散称为自扩散，后者是指纯金属的自扩散。

②上坡扩散和下坡扩散：扩散系统中原子由浓度高处向浓度低处的扩散称为下坡扩散，由浓度低处向浓度高处的扩散称为上坡扩散。

③短路扩散：原子在晶格内部的扩散称为体扩散或称晶格扩散，沿晶体中缺陷进行的扩散称为短路扩散，后者主要包括表面扩散、晶界扩散、位错扩散等。

短路扩散比体扩散快得多。

④相变扩散：原子在扩散过程中由于固溶体过饱和而生成新相的扩散称为相变扩散或称反应扩散。

本章主要讨论扩散的宏观规律、微观机制和影响扩散的因素。

1.1扩散第一定律在纯金属中，原子的跳动是随机的，形成不了宏观的扩散流；在合金中，虽然单个原子的跳动也是随机的，但是在有浓度梯度的情况下，就会产生宏观的扩散流。

例如，具有严重晶内偏析的固溶体合金在高温扩散退火过程中，原子不断从高浓度向低浓度方向扩散，最终合金的浓度逐渐趋于均匀。

菲克（A.Fick）于1855年参考导热方程，通过实验确立了扩散物质量与其浓度梯度之间的宏观规律，即单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的物质量（扩散通量）与该物质在该面积处的浓度梯度成正比，数学表达式为（3.1）上式称为菲克第一定律或称扩散第一定律。

北京科技大学材料科学与工程专业814 材料科学基础主讲人：薛老师第四章扩散本章主要内容1.菲克第一定律2.菲克第二定律3.菲克定律的应用4.原子扩散中的热力学5.扩散的微观机制6.影响扩散系数的因素7.反应扩散本章主要要求1.掌握菲克定律的内容2.熟练运用菲克定律3.掌握扩散系数的影响因素4.了解扩散的微观机制5.掌握反应扩散知识点1 扩散定义：由构成物质的微粒（原子、分子、离子）的热运动而产生的物质迁移的现象称为扩散。

扩散的宏观表现形式是物质的定向输送。

研究扩散主要有两种方法：（1）表象理论：根据所测量的参数描述物质传输的速率和数量；（2）原子理论：扩散过程中原子是如何迁移的。

扩散是固体中物质传输的唯一方式，液体或气体还有对流的方式可以通过参入放射性同位素可以证明。

知识点2 菲克第一定律当固体中存在着成分差异时，原子将从高浓度处向低浓度处扩散。

为了描述原子迁移的速率，提出了菲克第一定律。

数学表达式：1. J 为扩散通量，表示单位时间内通过垂直于扩散方向x 的单位面积的扩散物质的质量，单位为kg/(m 2*s)2. 表示溶质原子的浓度梯度3. D 为扩散系数，其单位为m 2/s ，ρ是扩散物质的质量浓度，单位为kg/m 34. 负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度方向相反，即表示物质从高浓度区向低浓度区方向迁移。

菲克第一定律表示了一种质量浓度不随时间变化而变化的现象。

dxdc d D J )(ρ-=dx d ρ扩散第一定律的注意点（1）扩散第一定律与经典力学相同，是被实验所证明的公理；（2）浓度梯度一定，扩散取决于扩散系数。

扩散系数与很多因素有关，但是与浓度梯度无关；（3）当浓度梯度为0时，J=0，说明在浓度均匀的系统中，不会产生扩散现象，这一结论仅仅适用于下坡扩散；（4）扩散第一定律的不足之处就是仅仅提出了扩散与距离的关系，并没有提出扩散与时间的关系；知识点3 菲克第二定律扩散第一定律只适用于稳态扩散，即在扩散的过程中各处的浓度不因为扩散过程的发生而随时间的变化而改变。