1、第五節(jié)第五節(jié) 影響擴(kuò)散系數(shù)的因素影響擴(kuò)散系數(shù)的因素 擴(kuò)散是一個(gè)基本的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，對(duì)材料制備、加工擴(kuò)散是一個(gè)基本的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，對(duì)材料制備、加工中的性能變化及顯微結(jié)構(gòu)形成以及材料使用過(guò)程中性能中的性能變化及顯微結(jié)構(gòu)形成以及材料使用過(guò)程中性能衰減起著決定性的作用，對(duì)相應(yīng)過(guò)程的控制，往往從影衰減起著決定性的作用，對(duì)相應(yīng)過(guò)程的控制，往往從影響擴(kuò)散速度的因素入手來(lái)控制，因此，掌握影響擴(kuò)散的響擴(kuò)散速度的因素入手來(lái)控制，因此，掌握影響擴(kuò)散的因素對(duì)深入理解擴(kuò)散理論以及應(yīng)用擴(kuò)散理論解決實(shí)際問(wèn)因素對(duì)深入理解擴(kuò)散理論以及應(yīng)用擴(kuò)散理論解決實(shí)際問(wèn)題具有重要意義。題具有重要意義。 擴(kuò)散系數(shù)是決定擴(kuò)散速度的重要參量。討論影響

2、擴(kuò)散系數(shù)是決定擴(kuò)散速度的重要參量。討論影響擴(kuò)散系數(shù)因素的基礎(chǔ)?；谙率綌U(kuò)散系數(shù)因素的基礎(chǔ)?；谙率?)exp(0RTQDD從數(shù)學(xué)關(guān)系上看，擴(kuò)散系數(shù)主要決定于溫度，顯于函數(shù)從數(shù)學(xué)關(guān)系上看，擴(kuò)散系數(shù)主要決定于溫度，顯于函數(shù)關(guān)系中，其他一些因素則隱含于關(guān)系中，其他一些因素則隱含于D0和和Q中。這些因素可中。這些因素可分為外在因素和內(nèi)在因素兩大類。分為外在因素和內(nèi)在因素兩大類。一、擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響一、擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響 通常，擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)構(gòu)越緊密，擴(kuò)散越困難，反之通常，擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)構(gòu)越緊密，擴(kuò)散越困難，反之亦然。亦然。 例如在一定溫度下，鋅在具有體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)例如在一定溫度下，鋅在具有體心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)

3、(單位晶胞中含單位晶胞中含2個(gè)原子個(gè)原子)的的-黃銅中的擴(kuò)散系數(shù)大于黃銅中的擴(kuò)散系數(shù)大于具有在面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)具有在面心立方點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(單位晶胞中含單位晶胞中含4個(gè)原子個(gè)原子)時(shí)時(shí)-黃銅中的擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)于形成固溶體系統(tǒng)，則固黃銅中的擴(kuò)散系數(shù)。對(duì)于形成固溶體系統(tǒng)，則固溶體結(jié)構(gòu)類型對(duì)擴(kuò)散有著顯著影響。例如，間隙型溶體結(jié)構(gòu)類型對(duì)擴(kuò)散有著顯著影響。例如，間隙型固溶體比置換型容易擴(kuò)散。固溶體比置換型容易擴(kuò)散。二、擴(kuò)散相與擴(kuò)散介質(zhì)的性質(zhì)差異二、擴(kuò)散相與擴(kuò)散介質(zhì)的性質(zhì)差異 一般說(shuō)來(lái)，擴(kuò)散相與擴(kuò)散介質(zhì)性質(zhì)差異越大一般說(shuō)來(lái)，擴(kuò)散相與擴(kuò)散介質(zhì)性質(zhì)差異越大,擴(kuò)散系數(shù)也越大。擴(kuò)散系數(shù)也越大。 這是因?yàn)楫?dāng)擴(kuò)散介質(zhì)原子附近

4、的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生畸這是因?yàn)楫?dāng)擴(kuò)散介質(zhì)原子附近的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生畸變時(shí)，就較易形成空位和降低擴(kuò)散活化能而有利變時(shí)，就較易形成空位和降低擴(kuò)散活化能而有利于擴(kuò)散。故擴(kuò)散原子與介質(zhì)原子間性質(zhì)差異越大，于擴(kuò)散。故擴(kuò)散原子與介質(zhì)原子間性質(zhì)差異越大，引起應(yīng)力場(chǎng)的畸變也愈烈，擴(kuò)散系數(shù)也就愈大。引起應(yīng)力場(chǎng)的畸變也愈烈，擴(kuò)散系數(shù)也就愈大。表 1 若干金屬在鉛中的擴(kuò)散系數(shù)三、結(jié)構(gòu)缺陷的影響三、結(jié)構(gòu)缺陷的影響 實(shí)驗(yàn)表明，在金屬材料和離子晶體中，原子或離實(shí)驗(yàn)表明，在金屬材料和離子晶體中，原子或離子在晶界上擴(kuò)散遠(yuǎn)比在晶粒內(nèi)部擴(kuò)散來(lái)得快。子在晶界上擴(kuò)散遠(yuǎn)比在晶粒內(nèi)部擴(kuò)散來(lái)得快。有實(shí)有實(shí)驗(yàn)表明，其些氧化物晶體材料的晶界對(duì)離子的擴(kuò)驗(yàn)表明

5、，其些氧化物晶體材料的晶界對(duì)離子的擴(kuò)散有選擇性的增加作用，例如在散有選擇性的增加作用，例如在Fe2O3，、，、CoO、SrTiO3，材料中晶界或位錯(cuò)有增加，材料中晶界或位錯(cuò)有增加O2-離子的擴(kuò)散離子的擴(kuò)散作用，而在作用，而在BeO、UO2、Cu2O和和(Zr，Ca)O2等材料等材料中則無(wú)此效應(yīng)。中則無(wú)此效應(yīng)。圖13 Ag的自擴(kuò)散系數(shù)Db，晶界擴(kuò)散系數(shù)Dg和表面擴(kuò)散系數(shù)Ds0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 3.0DsDgDg四、溫度與雜質(zhì)的影響四、溫度與雜質(zhì)的影響 圖圖14給出了一些常見(jiàn)氧化物中參與構(gòu)成氧化物的陽(yáng)離給出了一些常見(jiàn)氧化物中參與構(gòu)成氧化物的陽(yáng)離子或陰離子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度

6、的變化關(guān)系。子或陰離子的擴(kuò)散系數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。 應(yīng)該指出，對(duì)于大多數(shù)實(shí)用晶體材料，由于其或多或應(yīng)該指出，對(duì)于大多數(shù)實(shí)用晶體材料，由于其或多或少地含有一定量的雜質(zhì)以及具有一定的熱歷史，因而溫度少地含有一定量的雜質(zhì)以及具有一定的熱歷史，因而溫度對(duì)其擴(kuò)散系數(shù)的影響往往不完全象圖所示的那樣，對(duì)其擴(kuò)散系數(shù)的影響往往不完全象圖所示的那樣，1nD1T間均成直線關(guān)系，而可能出現(xiàn)曲線或者不同溫度區(qū)間出間均成直線關(guān)系，而可能出現(xiàn)曲線或者不同溫度區(qū)間出現(xiàn)不同斜率的直線段。這一差別主要是由于活化能隨溫度現(xiàn)不同斜率的直線段。這一差別主要是由于活化能隨溫度變化所引起的。變化所引起的。 圖14 擴(kuò)散系數(shù)與溫度的關(guān)系圖1

7、5 硅酸鹽中陽(yáng)離子的擴(kuò)散系數(shù)NaCaSi0.5 1.0 1.510-510-610-710-810-910-10D(cm2/s-1)1000/T(k-1) 利用雜質(zhì)對(duì)擴(kuò)散的影響是人們改善擴(kuò)散的主要途徑。利用雜質(zhì)對(duì)擴(kuò)散的影響是人們改善擴(kuò)散的主要途徑。一般而言，高價(jià)陽(yáng)離子的引入可造成晶格中出現(xiàn)陽(yáng)離子空一般而言，高價(jià)陽(yáng)離子的引入可造成晶格中出現(xiàn)陽(yáng)離子空位和造成晶格畸變，從而使陽(yáng)離子擴(kuò)散系數(shù)增大。且當(dāng)雜位和造成晶格畸變，從而使陽(yáng)離子擴(kuò)散系數(shù)增大。且當(dāng)雜質(zhì)含量增加，非本征擴(kuò)散與本征擴(kuò)散溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)升高質(zhì)含量增加，非本征擴(kuò)散與本征擴(kuò)散溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)升高. 反之，若雜質(zhì)原子與結(jié)構(gòu)中部分空位發(fā)生締合，往往反之，若雜

8、質(zhì)原子與結(jié)構(gòu)中部分空位發(fā)生締合，往往會(huì)使結(jié)構(gòu)中總空位增加而有利于擴(kuò)散。會(huì)使結(jié)構(gòu)中總空位增加而有利于擴(kuò)散。 擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的基本方式，當(dāng)溫度高于絕擴(kuò)散是物質(zhì)內(nèi)質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的基本方式，當(dāng)溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，任何物系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)都在作熱運(yùn)動(dòng)。對(duì)零度時(shí)，任何物系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)都在作熱運(yùn)動(dòng)。當(dāng)物質(zhì)內(nèi)當(dāng)物質(zhì)內(nèi)有梯度有梯度(化學(xué)位、濃度、應(yīng)力梯度等化學(xué)位、濃度、應(yīng)力梯度等)存在時(shí)，由于熱運(yùn)存在時(shí)，由于熱運(yùn)動(dòng)而觸發(fā)動(dòng)而觸發(fā)(導(dǎo)致導(dǎo)致)的質(zhì)點(diǎn)定向遷移即所謂的擴(kuò)散。的質(zhì)點(diǎn)定向遷移即所謂的擴(kuò)散。因此，因此，擴(kuò)散是一種擴(kuò)散是一種傳質(zhì)傳質(zhì)過(guò)程，宏觀上表現(xiàn)出物質(zhì)的定向遷移。過(guò)程，宏觀上表現(xiàn)出物質(zhì)的定向遷移。在氣體和液體中，物質(zhì)的傳遞方式除擴(kuò)散外還可以通過(guò)在氣體和液體中，物質(zhì)的傳遞方式除擴(kuò)散外還可以通過(guò)對(duì)流對(duì)流等方式進(jìn)行；在固體中，擴(kuò)散往往是物質(zhì)傳遞的惟等方式進(jìn)