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H 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(00kThDkTgDD•• 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：CDJ•，式中的J是扩散通量，单位为sec)/(2•cmg或sec)/(2•cmmol；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，)(zCDyCDxCDJzyx；对一维扩散，xCDJx。
菲克第二定律：ARCVCDtC••••)(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ldgsQQQQ,,,分别代表单独通过这四种路径扩散所需能量，用H
H ldgsDDDD,,,分别代表这四种扩散途径的扩散系数，则有：ldgsQQQQ，ldgsDDDD。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：
xGNFAa•1 式2-2-1
其中的AG是体系中某位置A原子的摩尔化学位，aN是阿佛加德罗常数。
用AB表示A原子的迁移率或称“淌度”，定义A原子的运动速度：
第四章 固体中的扩散
物质传输的方式：
1、对流--由内部压力或密度差引起的
2、扩散--由原子性运动引起的
固体中物质传输的方式是扩散
扩散：物质中的原子或分子由于热运动而进行的迁移过程
本章主要内容:
扩散的宏观规律：扩散物质的浓度分布与时间的关系
扩散的微观机制：扩散过程中原子或分子迁移的机制
一、扩散现象
原子除在其点阵的平衡位置作不断的振动外，某些具有高能量的单个原子可以通过无规则的跳动而脱离其周围的约束，在一定条件下，按大量原子运动的统计规律，有可能形成原子定向迁移的扩散流。
将两根含有不同溶质浓度的固溶体合金棒对焊起来，形成扩散偶，扩散偶沿长度方向存在浓度梯度时，将其加热并长时间保温，溶质原子必然从左端向右端迁移→扩散。沿长度方向浓度梯时 逐渐减少，最后整个园棒溶质原
子 浓度趋于一致
二、扩散第一定律（Fick第一定律）
Fick在1855年指出：在单位时间内通过垂直于扩散方向某一单位截面积的扩散物质流量
（扩散通量）与该处的浓度梯度成正比。
数学表达式（扩散第一方程）
式中 J：扩散通量：物质流通过单位截面积的速度， 常用量钢kg·m-2·s-1 D：扩散系数，反映扩散能力，m2/S
：扩散物质沿x轴方向的浓度梯度
负号：扩散方向与浓度梯度方向相反
可见：1） , 就会有扩散
2）扩散方向通常与浓度方向相反，但并非完全如此。
适用：扩散第一定律没有考虑时间因素对扩散的影响，即J和dc/dx不随时间变化。故Fick
第一定律仅适用于dc/dt=0时稳态扩散。
实际中的扩散大多数属于非稳态扩散。
三、扩散第二定律（Fick第二定律）
1 第7章 扩散
一、名词解释
1．扩散：
2．扩散系数与扩散通量：
3．本征扩散与非本征扩散：
4．自扩散与互扩散：
5．稳定扩散与不稳定扩散：
名词解释答案：
一、扩散是指在梯度的作用下，由于热运动而使粒子定向移动的过程
二、扩散通量：单位时间内通过单位面积粒子的数目
扩散系数：单位浓度梯度下的扩散同俩个
三、本征扩散：由热缺陷所引起的扩散
非本征扩散：由于杂质粒子的电引入而引起的扩散
四、自扩散：原子或粒子在本身结构中的扩散
互扩散：两种的扩散通量大小相等，方向相反的扩散
五、稳定扩散：单位时间内通过单位面积的粒子数一定
不稳定扩散：单位面积内通过单位面积的粒子数不一定
二、填空与选择
1.晶体中质点的扩散迁移方式有： 、 、 、 和 。
2．当扩散系数的热力学因子为 时，称为逆扩散。此类扩散的特征为 ，其扩散结果为使 或 。
3．扩散推动力是 。晶体中原子或离子的迁移机制主要分为两种：
和 。
4．恒定源条件下，820℃时钢经1小时的渗碳，可得到一定厚度的表面碳层，同样条件下，要得到两倍厚度的渗碳层需 小时.
5．本征扩散是由 而引起的质点迁移，本征扩散的活化能由 和 两部分组成，扩散系数与温度的关系式为 。
6．菲克第一定律适用于 ，其数学表达式为 ；菲克第二定律适用于 ，其数学表达式为 。
7．在离子型材料中，影响扩散的缺陷来自两个方面：（1）肖特基缺陷和弗仑克尔缺陷（热缺陷），（2）掺杂点缺陷。由热缺陷所引起的扩散称 ，而掺杂点缺陷引起的扩散称为 。（自扩散、互扩散、无序扩散、非本征扩散）
8．在通过玻璃转变区域时，急冷的玻璃中网络变体的扩散系数，一般 相同组成但充
2 分退火的玻璃中的扩散系数。（高于、低于、等于）
9．在UO2晶体中，O2－的扩散是按 机制进行的。（空位、间隙、掺杂点缺陷）
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。
