扩散-影响因素

1、l影响扩散的因素影响扩散的因素l反应扩散反应扩散l离子晶体的扩散离子晶体的扩散影响扩散的因素影响扩散的因素1 1、温度、温度温度是影响扩散速率的最主要因素温度是影响扩散速率的最主要因素成指数急剧上升升高，DTeDDRTQ,0在低温下，固体材料的扩散很小，可以忽略在低温下，固体材料的扩散很小，可以忽略smDsmDDKTFeC/1067. 4/1061. 1313001200:21113002111200倍增加了约中的扩散系数，在1 1、温度的影响、温度的影响对不同物质：对不同物质：同一温度同一温度600600对对Al,FeAl,Fe来说来说D D差别很大差别很大 AlAl此时此时D D很大很大,

2、Fe,Fe此时此时D D很小很小 对不同的物质，可近似比较，与熔点接近对不同的物质，可近似比较，与熔点接近的程度。与熔点越接近，的程度。与熔点越接近，D D越大越大需要的更高的扩散温度越高，越大，扩散所需的能量越大，说明原子结合力的影响来近似比较，说明温度mmTTmTTmTT,1 1、温度的影响、温度的影响化亦可反映扩散机制的变和成线性关系，作图确定与QDTDRTQDDeDDRTQ00/0/1lnlnln2、成份的影响l组元特性组元特性扩散激活能原子间接合力：微观宏观参量固溶体，阿A加入B 熔点下降，D升高 熔点升高，D下降l组员浓度组员浓度 扩散系数是浓度的函数，浓度增大时,D增大或减少 增

3、大：Ni Mn C 在-Fe中 减少：Ni在Au-Ni中l第三组元的影响第三组元的影响 对-Fe，促进扩散元素：Co 阻碍扩散元素：Mo W3、结构因素结构因素l固溶体类型固溶体类型 间隙扩散一般激活能小，更快扩散 置换型固溶体扩散要慢得多l晶体结构 -Fe的自扩散系数大约是-Fe的240倍（912 ） Ni在-Fe中的扩散系数是-Fe的1400倍（900 ） 主要原因：体心立方结构间隙大，原子较易迁移 各相异性，最密排面扩散系数小4、晶体缺陷晶体缺陷- -短路扩散短路扩散l缺陷处原子处于较高的能态，易跃迁l缺陷处的扩散激活能比晶内小l表面扩散界面扩散点阵扩散反应扩散反应扩散l前面讲的主要是单

4、相固溶体中的扩散，其前面讲的主要是单相固溶体中的扩散，其特点为：渗入的原子浓度小于其在基体中特点为：渗入的原子浓度小于其在基体中的固溶度的固溶度l反应扩散：一般出现在表面渗反应扩散：一般出现在表面渗CN等处理中，等处理中，当某种元素通过扩散，自金属表面向内渗当某种元素通过扩散，自金属表面向内渗透时，若渗入元素含量透时，若渗入元素含量超过基体金属的溶超过基体金属的溶解度解度，会在，会在扩散过程中出现新相扩散过程中出现新相，这种通，这种通过扩散形成新相的现象称为过扩散形成新相的现象称为多相扩散多相扩散，习，习惯上也称为惯上也称为相变扩散相变扩散或或反应扩散反应扩散特点1) 相变，扩散过程中有多相存

5、在2) 每一层均为单向区，不存在双相区3) 相律分析4) 浓度出现阶跃讨论： 单相区内按菲克定律 相界处平衡成分按相图特殊情况l扩散层中可能没有相图中固有的相 相界推进的速度不同，吃掉l扩散层中可能出现相图中没有的亚稳相 非平衡情况，受动力学控制tCBxtCAxtCAtDKDKCCdtdxddCtXCxCtxxCDxCDCCdtdxdtxCDxCDdxCarCramraararraraararraarraraararra)()( 2/ )( 1)()()(11)()()(11)()(1)(2,玻尔兹曼变换，离子晶体中的扩散 前面讨论的金属扩散，原子可以跃迁进入邻近的任何空位或间隙金属键的特性

6、但在离子晶体中，离子只能进入具有相同电荷的位置离子晶体中的缺陷离子晶体中的缺陷l 肖特基缺陷肖特基缺陷 阳离子空位+阴离子空位缺陷离子对l 弗仑克尔缺陷弗仑克尔缺陷 填隙原子 空位l 非化学计量比缺陷非化学计量比缺陷 掺杂非化学计量比缺陷非化学计量比缺陷l结构性缺陷，非常有利于扩散例： (1)FeO中添加Fe2O3 (2)ZrO2中添加CaO 当晶格中Fe2+被Fe3+替代后，必然出现+电荷过量，从而出现负电荷空位以补偿。达到电中性。离子的价数对应替换后过量的电荷数空位数量离子晶体的扩散机制1) 空位扩散空位扩散 MgO中的中的Mg2+2) 间隙扩散间隙扩散 AgBr中的中的Ag1-3) 亚晶

7、格间隙扩散，特例亚晶格间隙扩散，特例AgI CuI离子电导离子电导 、超离子电导、超离子电导l 在离子晶体中，热运动下会发生自扩散，在离子晶体中，热运动下会发生自扩散，但各向扩散通量相当，无电流但各向扩散通量相当，无电流l 当外加电场后，材料中的离子定向移动，当外加电场后，材料中的离子定向移动，产生电流产生电流离子电导离子电导l金属中：电子金属中：电子l离子晶体：离子或空位离子晶体：离子或空位l电导率与扩散系数密切相关电导率与扩散系数密切相关l间隙机制间隙机制l空位机制空位机制kTnqDiT21,2fffkTnqDiT为空位机制相关因子，离子导电陶瓷离子导电陶瓷l氧离子导体氧离子导体 ZrO2

8、 CaTiO3l钠离子导体钠离子导体 Na -Al2O3l锂锂 离子导体离子导体 Li -Al2O3 Li3Nl氢离子导体氢离子导体 H -Al2O3 电池：锂电池、燃料电池、传感器等电池：锂电池、燃料电池、传感器等固体氧化物燃料电池（SOFC）基本工作原理燃料电池l 1839年，英国人W.Grove就提出了氢和氧反应可以发电的原理类型磷酸盐型燃料电池(PAFC)融碳酸盐型燃料电池(MCFC)固体氧化物型燃料电池(SOFC)聚合物离子膜燃料电池(PEMFC)燃料煤气,天然气,甲醇等煤气,天然气,甲醇等煤气,天然气,甲醇等纯H2电解质磷酸水溶液KLiCO3溶盐ZrO2-Y2O3(8 YSZ)离子

9、(Na离子)阳极电极阴极多孔质石墨(Pt催化剂)含Pt催化剂+多孔质石墨+Tefion多孔质镍(不要Pt催化剂)多孔NiO(掺锂)Ni-ZrO2金属陶瓷(不要Pt催化剂)LaxSr1-xMn(Co)O3多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)多孔质石墨或Ni(Pt催化剂)工作温度-200-650800-1000-100敏感陶瓷半导体陶瓷l传感器的关键材料传感器的关键材料l半导体陶瓷共同的特点：导电性随环境变化半导体陶瓷共同的特点：导电性随环境变化 热敏陶瓷热敏陶瓷 湿敏陶瓷湿敏陶瓷 光敏陶瓷光敏陶瓷 压敏陶瓷压敏陶瓷 气敏陶瓷气敏陶瓷 .热敏陶瓷热敏陶瓷l三类：l正温度系数热敏电阻（PTC） BaTiO3l负温度系数热敏电阻（NTC） Cu-Mn Co-Mn Ni-Mn MnCoO4l急剧变化热敏电阻（CTR） VO2气