材料基础固体中扩散
- 格式:pptx
- 大小:1.88 MB
- 文档页数:18
固体扩散知识点解析简介固体扩散是指固体物质中分子或离子的自发性传递。
在固体内部,离子或分子会从高浓度区域向低浓度区域扩散,直到达到平衡状态。
本文将逐步介绍固体扩散的基本概念、驱动力和影响因素等知识点。
1. 扩散的定义和基本原理扩散是指物质由高浓度区域自发地传播至低浓度区域的过程。
在固体中,扩散是由于固体内部原子、分子或离子的热运动所导致的。
这些粒子在高温下具有足够的能量,从而能够克服相互之间的吸引力或阻力,使得固体内部的物质得以自由移动。
2. 扩散的驱动力固体扩散的驱动力是浓度差异,即浓度梯度。
当固体中存在浓度差时,高浓度区域的粒子会向低浓度区域移动,以使得整个系统中的浓度趋于均匀。
这种浓度差会产生一种扩散通量,即单位时间内通过单位面积的物质量。
3. 扩散速率的计算扩散速率可以通过弗拉基斯方程进行计算,该方程描述了扩散速率与浓度梯度的关系。
弗拉基斯方程可以表示为:J = -D * ∇C其中,J表示扩散通量,D表示扩散系数,∇C表示浓度梯度。
扩散系数是一个与物质特性和温度有关的常数,它描述了物质在固体中扩散的能力。
4. 影响固体扩散的因素固体扩散的速率受多种因素的影响,包括温度、扩散物质的性质、固体结构等。
下面将逐一介绍这些因素:4.1 温度温度是影响固体扩散速率的重要因素。
随着温度的升高,固体中的粒子热运动加剧,扩散速率也会增加。
4.2 扩散物质的性质不同的物质在固体中的扩散速率也会有所不同。
一般来说,分子量较小、分子结构简单的物质扩散速率较快,而大分子量或复杂结构的物质扩散速率较慢。
4.3 固体结构固体的结构对扩散速率也有一定影响。
晶体结构中的扩散速率通常比非晶态结构中的扩散速率快。
5. 应用领域固体扩散在许多领域都有着广泛的应用。
下面列举一些应用领域的例子:5.1 材料科学固体扩散是材料热处理、表面改性等过程中的重要现象。
通过控制固体中的扩散行为,可以改变材料的物理性质和化学性质。
5.2 电子器件制造在电子器件的制造过程中,固体扩散被用于控制杂质的扩散以形成特定的电子结构,如PN结。
《材料科学基础》复习题第1章原子结构与结合键一、选择题1、具有明显的方向性和饱和性。
A、金属键B、共价键C、离子键2、以下各种结合键中,结合键能最大的是。
A、离子键、共价键B、金属键C、分子键3、以下各种结合键中,结合键能最小的是。
A、离子键、共价键B、金属键C、分子键4、以下关于结合键的性质与材料性能的关系中,是不正确的。
A、具有同类型结合键的材料,结合键能越高,熔点也越高。
B、具有离子键和共价键的材料,塑性较差。
C、随着温度升高,金属中的正离子和原子本身振动的幅度加大,导电率和导热率都会增加。
二、填空题1、构成陶瓷化合物的两种元素的电负性差值越大,则化合物中离子键结合的比例。
2、通常把平衡距离下的原子间的相互作用能量定义为原子的。
3、材料的结合键决定其弹性模量的高低,氧化物陶瓷材料以键为主,结合键故其弹性模量;金属材料以键为主,结合键故其弹性模量;高分子材料的分子链上是键,分子链之间是键,故其弹性模量。
第2章晶体结构(原子的规则排列)一、名词解释1、点阵2、晶胞3、配位数4、同素异晶转变5、组元6、固溶体7、置换固溶体8、间隙固溶体9、金属间化合物10、间隙相二、选择题1、体心立方晶胞中四面体间隙的r B/r A和致密度分别为A 0.414,0.68B 0.225,0.68C 0.291,0.682、晶体中配位数和致密度之间的关系是。
A、配位数越大,致密度越大B、配位数越小,致密度越大C、两者之间无直接关系3、面心立方晶体结构的原子最密排晶向族为。
A <100> B、<111> C、<110>4、立方晶系中,与晶面(011)垂直的晶向是。
A [011]B [100]C [101]5、立方晶体中(110)和(211)面同属于晶带。
A [101] B[100] C [111]6、金属的典型晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方三种,它们的晶胞中原子数分别为:A、4;2;6B、6;2;4 D、2;4;66、室温下,纯铁的晶体结构为晶格。
固体之间的扩散现象例子固体之间的扩散现象是指固体物质中的分子、离子或原子在固体内部或固体之间的扩散过程。
下面列举了10个符合标题内容的例子:1. 热传导:固体之间的热传导是一种扩散现象。
当一个固体处于高温状态时,其分子、离子或原子会通过碰撞将能量传递给周围的固体,从而使固体中的温度逐渐均匀分布。
2. 气体扩散:在孔隙较大的多孔固体中,气体分子可以通过固体之间的空隙进行扩散。
例如,氧气可以通过土壤中的空隙扩散到地下水中,使其氧含量增加。
3. 溶质扩散:当两个固体接触时,溶质分子可以从高浓度区域扩散到低浓度区域,以达到浓度均一的状态。
这种扩散现象在合金中尤为常见,不同金属的原子可以在固体中互相扩散,形成固溶体。
4. 晶格扩散:在晶体中,原子、离子或分子可以通过空位或晶格缺陷的存在扩散。
例如,在金属中,原子可以通过晶格空位的存在进行扩散,导致金属的形状变化。
5. 电子扩散:在半导体材料中,电子可以通过晶格缺陷或杂质原子进行扩散。
这种扩散现象在半导体器件中起着重要的作用,例如,P-N结形成的过程中,掺杂的杂质原子可以通过扩散来形成导电层。
6. 化学反应中的固体扩散:在化学反应中,固体反应物可以通过固体之间的扩散来实现反应。
例如,在固体燃料中,氧气可以通过固体燃料的孔隙扩散到反应中,与燃料发生反应。
7. 水分扩散:在多孔固体中,水分子可以通过固体之间的孔隙进行扩散。
这种现象在土壤中尤为常见,水分可以通过土壤颗粒之间的间隙扩散到植物根部。
8. 气体吸附:在多孔固体表面,气体分子可以通过吸附作用与固体表面产生相互作用。
这种现象在吸附材料中常见,例如活性炭可以通过吸附将有害气体从空气中去除。
9. 液体扩散:在多孔固体中,液体分子可以通过固体之间的孔隙进行扩散。
这种现象在过滤材料中常见,液体可以通过过滤材料的孔隙进行过滤。
10. 磁性扩散:在磁性材料中,磁性颗粒可以通过固体之间的扩散来实现磁性的传递。
这种现象在磁性材料中常见,例如,磁铁可以通过扩散来吸附铁磁性颗粒。
固体扩散知识点总结一、概念固体扩散是指在固体材料内部或固体与固体接触的界面上,由于温度、浓度、压力等因素的不均匀分布,使得物质在其内部或界面上从高浓度区向低浓度区自由移动的过程。
这一过程是通过原子、分子或离子的不规则运动而发生的,是固体中不同组分之间相互作用的结果。
二、扩散机制1. 弹性散射:是指在固体晶格内,原子通过与其他原子碰撞来扩散,这个过程是在晶体结构保持不变的情况下进行的。
2. 不连续型扩散:是指在原子通过在固体晶格空隙中移动来扩散的过程,这种扩散方式通常发生在固溶体中。
3. 源项扩散:是指通过固体表面上与外部环境的作用以及固体内部的空隙或缺陷来扩散的过程。
三、影响因素1. 温度:温度是影响固体扩散速率的重要因素之一。
温度越高,扩散速率越快。
这是因为在高温下,原子、分子或离子的热运动更加剧烈,扩散的动力也更大。
2. 浓度梯度:浓度梯度是指在固体中或固体与固体间存在的不同浓度的区域。
浓度梯度越大,扩散速率也越快。
3. 材料特性:不同的固体材料由于其晶体结构、原子排列方式等不同,会影响扩散速率。
晶体缺陷、杂质等也会影响扩散速率。
4. 外部环境:外部环境的压力、气氛等因素也会影响固体扩散速率。
四、应用领域1. 合金制备:固体扩散在合金制备中起着重要作用。
通过扩散,不同金属元素可以在一起相溶,形成新的合金材料。
这些合金材料通常具有比纯金属更优异的性能,如提高强度、耐腐蚀性能等。
2. 半导体制备:在半导体制备中,固体扩散被用来在半导体晶片上形成掺杂层。
这种掺杂可以改变半导体的导电性能,从而用于制备晶体管、集成电路等电子器件。
3. 表面处理:固体扩散在金属表面处理中起着重要作用。
通过改变金属表面的化学成分或物理性质,可以使金属表面具有特殊的性能,如耐磨、耐蚀、附着力强等。
4. 材料改良:通过对材料进行扩散处理,可以改变其性能,如提高硬度、改善耐热性、增加导电性等。
五、测定方法1. 放射性标记法:这是通过将放射性同位素标记在试验样品中,再通过测定其扩散后的分布来确定扩散速率。
第七章固体中的扩散内容提要扩散是物质内质点运动的基本方式,当温度高于绝对零度时,任何物系内的质点都在作热运动.当物质内有梯度(化学位、浓度、应力梯度等)存在时,由于热运动而导致质点定向迁移即所谓的扩散。
因此,扩散是一种传质过程,宏观上表现出物质的定向迁移。
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。
扩散的本质是质点的无规则运动.晶体中缺陷的产生与复合就是一种宏观上无质点定向迁移的无序扩散。
晶体结构的主要特征是其原子或离子的规则排列。
然而实际晶体中原子或离子的排列总是或多或少地偏离了严格的周期性。
在热起伏的过程中,晶体的某些原子或离子由于振动剧烈而脱离格点进入晶格中的间隙位置或晶体表面,同时在晶体内部留下空位。
显然,这些处于间隙位置上的原子或原格点上留下来的空位并不会永久固定下来,它们将可以从热涨落的过程中重新获取能量,在晶体结构中不断地改变位置而出现由一处向另一处的无规则迁移运动.在日常生活和生产过程中遇到的大气污染、液体渗漏、氧气罐泄漏等现象,则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在固体介质中的定向迁移即扩散过程.由此可见,扩散现象是普遍存在的。
晶体中原子或离子的扩散是固态传质和反应的基础。
无机材料制备和使用中很多重要的物理化学过程,如半导体的掺杂、固溶体的形成、金属材料的涂搪或与陶瓷和玻璃材料的封接、耐火材料的侵蚀等都与扩散密切相关,受到扩散过程的控制.通过扩散的研究可以对这些过程进行定量或半定量的计算以及理论分析。
无机材料的高温动力学过程——相变、固相反应、烧结等进行的速度与进程亦取决于扩散进行的快慢。
并且,无机材料的很多性质,如导电性、导热性等亦直接取决于微观带电粒子或载流子在外场——电场或温度场作用下的迁移行为。
因此,研究扩散现象及扩散动力学规律,不仅可以从理论上了解和分析固体的结构、原子的结合状态以及固态相变的机理;而且可以对无机材料制备、加工及应用中的许多动力学过程进行有效控制,具有重要的理论及实际意义.本章主要介绍固态扩散的宏观规律及其动力学、扩散的微观机构及扩散系数,通过宏观-微观-宏观的渐进循环,认识扩散现象及本质,总结出影响扩散的微观和宏观因素,最终达到对基本动力学过程——扩散的控制与有效利用.7。
第七章扩散与固相反应§7-1 晶体中扩散的基本特点与宏观动力学方程一、基本特点1、固体中明显的质点扩散常开始于较高的温度,但实际上又往往低于固体的熔点;2、晶体中质点扩散往往具有各向异性,扩散速率远低于流体中的情况。
二、扩散动力学方程1、稳定扩散和不稳定扩散在晶体A中如果存在一组分B的浓度差,则该组分将沿着浓度减少的方向扩散,晶体A作为扩散介质存在,而组分B则为扩散物质。
如图,图中dx为扩散介质中垂直于扩散方向x的一薄层,在dx两侧,扩散物质的浓度分别为c1和c2,且c1>c2,扩散物质在扩散介质中浓度分布位置是x的函数,扩散物质将在浓度梯度的推动下沿x方向扩散。
的浓度分布不随时间变的扩散过程稳定扩散:若扩散物质在扩散层dx内各处的浓度不随时间而变化,即dc/dt=0。
这种扩散称稳定扩散。
不稳定扩散:扩散物质在扩散层dx内的浓度随时间而变化,即dc/dt≠0。
这种扩散称为不稳定扩散。
2、菲克定律(1)菲克第一定律在扩散体系中,参与扩散质点的浓度因位置而异,且随时间而变化,即浓度是坐标x、y、z和时间t函数,在扩散过程中,单位时间内通过单位横截面积的质点数目(或称扩散流量密度)j之比于扩散质点的浓度梯度△cD:扩散系数;其量纲为L2T-1,单位m2/s。
负号表示粒子从浓度高处向浓度低处扩散,即逆浓度梯度的方向扩散,对于一般非立方对称结构晶体,扩散系数D为二阶张量,上式可写为:对于大部分的玻璃或各向同性的多晶陶瓷材料,可认为扩散系数D将与扩散方向无关而为一标量。
J x=-D J x----沿x方向的扩散流量密度J y=-D J y---沿Y方向的扩散流量密度J z=-D J z---沿Z方向的扩散流量密度适用于:稳定扩散。
菲克第二定律:是在菲克第一定律基础上推导出来的。
如图所示扩散体系中任一体积元dxdydz在dt时间内由x方向流进的净物质增量应为:同理在y、z方向流进的净物质增量分别为:放在δt时间内整个体积元中物质净增量为:若在δt时间内,体积元中质点浓度平均增量δc,则:若假设扩散体系具有各向同性,且扩散系数D不随位置坐标变化则有:适用范围:不稳定扩散。