扩散-影响因素
第八章扩散
扩散现象和本质
图8-3 对称和倾斜的势能曲线
扩散现象和本质
呈正弦波形变化（图8-12b）。
扩散应用举例
（一）铸锭（件）的均匀化退火
图8-12 铸锭中的枝晶偏析a）及溶质 原子在枝晶二次轴之间的浓度分布b）
扩散应用举例
（二）金属的粘接
1.
钎焊是连接金属的一
种方法。钎焊时，先将零
件（母材）搭接好，将钎
料安放在母材的间隙内或
间隙旁（图8-13），然后
将它们一起加热到稍高于
三、固态金属扩散的条件
扩散过程都是在扩散驱动力作用下进行的，如 果没有扩散驱动力，也就不可能发生扩散。墨水向 周围水中的扩散，锡向钢表面层中的扩散，其扩散 过程都是沿着浓度降低的方向进行，使浓度趋于均 匀化。相反，有些杂质原子向晶界的偏聚，使晶界 上的杂质浓度要比晶内高几倍至几十倍，又如共析 转变和过饱和固溶体的分解，扩散过程却是沿着浓 度升高的方向进行。可见，浓度梯度并不是导致扩 散的本质原因。
扩散现象和本质
应当指出，固态扩散是大量原子无序跃迁的统计 结果。在晶体的周期势场中，原子向各个方向跃迁的 几率相等，这就引不起物质传输的宏观扩散效果。如 果晶体周期场的势能曲线是倾斜的（图8-3），那么
原子自左向右跃迁的激活能为Q，而自右向左的激活 能在数值上为Q+ΔG（图8-3c）。这样一来，原子向
固态金属扩散的条件
（一）扩散要有驱动力
从热力学来看，在等温等压条件下，不管浓度 梯度如何，组元原子总是从化学位高的地方自发地 迁移到化学位低的地方，以降低系统的自由能。只 有当每种组元的化学位在系统中各点都相等时，才 达到动态平衡，宏观上再看不到物质的转移。当浓 度梯度与化学位梯度方向一致时，溶质原子就会从 高浓度地区向低浓度地区迁移；相反，当浓度梯度 与化学位梯度不一致时，溶质原子就会朝浓度梯度 相反的方向迁移。可见，扩散的驱动力不是浓度梯 度，而是化学位梯度。
化学物质扩散
化学物质扩散化学物质扩散是指物质在溶液、气体或固体中自高浓度向低浓度区域移动的过程。
这个过程在化学和生物学中都有重要的应用和意义。
本文将介绍化学物质扩散的原理、影响因素以及相关应用。
一、化学物质扩散的原理化学物质扩散遵循离子或分子的浓度梯度。
当浓度存在差异时，物质会通过扩散来平衡浓度。
扩散速率取决于浓度差和物质的运动性能。
其中，浓度差越大，扩散速率越快；分子或离子的运动性能越高，也会加快扩散速率。
二、影响化学物质扩散的因素1. 温度：温度升高会增加分子的平均动能，加快分子的扩散速率。
2. 浓度差：浓度差越大，扩散速率越快。
3. 分子大小：分子越小，扩散速率越快。
4. 孔隙结构：材料的孔隙结构对扩散速率有重要影响，较大的孔隙能够促进扩散。
5. 表面积：较大的表面积能够提供更多的接触面，加快化学物质的扩散速率。
三、化学物质扩散的应用1. 生物学领域：在生物学研究中，化学物质扩散广泛应用于细胞膜透过性的研究以及药物递送系统的设计。
研究人员可以通过改变扩散速率来实现特定药物在人体内的释放。
2. 环境保护：化学物质扩散也与环境保护相关。
例如，土壤和水体中的化学污染物通过扩散可以传播到环境中其他区域。
了解化学物质的扩散规律可以帮助我们制定有效的环境保护措施。
3. 化学工程：在化学工程中，我们需要控制化学物质的扩散速率，以便实现有效的反应过程或分离过程。
研究物质扩散的规律可以指导工程师设计优化的反应器或分离设备。
结语化学物质扩散是一种重要的自然现象，在化学和生物学中都具有广泛的应用。
了解化学物质扩散的原理和影响因素可以帮助我们更好地应用和控制这个过程。
未来的研究和工程实践中，我们还需加强对化学物质扩散的深入研究，以推动科学技术的发展和应用的创新。
讨论影响扩散的因素
讨论影响扩散的因素
影响扩散的因素有很多，包括以下几个方面：
1. 浓度差异：扩散通常发生在浓度差异较大的区域之间。
浓度差异越大，扩散速率越快。
2. 温度：温度越高，分子的平均动能越大，扩散速率越快。
3. 分子大小：分子越小，其扩散速率越快。
较大的分子由于其尺寸较大，需要克服更大的阻力才能扩散。
4. 分子形状：分子的形状也会影响其扩散速率。
长而细的分子相对于球状分子来说，扩散速率会较慢。
5. 媒介物：扩散媒介物的性质也会影响扩散速率。
例如，扩散在液体中通常比在气体中快，因为液体分子之间的相互作用力较大。
6. 表面积：扩散速率与扩散表面积成正比。
表面积越大，扩散速率越快。
7. 扩散距离：扩散速率与扩散距离成反比。
扩散距离越大，扩散速率越慢。
8. 扩散介质的厚度：扩散速率与扩散介质的厚度成反比。
扩散介质越厚，扩散
速率越慢。
9. 外部条件：外部条件如压力、湿度等也会对扩散速率产生影响。
扩散现象的知识点总结
扩散现象的知识点总结一、定义扩散是指分子、离子或其他微观粒子由高浓度向低浓度扩散的过程。
在这一过程中，物质会在不同浓度区域间发生自发性的热运动，最终达到浓度均匀的状态。
二、扩散的原理1. 布朗运动：布朗运动是扩散现象最基本的原理之一。
物质在水平方向上不断做无规则的运动，这种无规则的运动导致了物质的扩散。
2. 浓度差驱动：扩散是由高浓度区域向低浓度区域自发性的运动。
浓度差是扩散的驱动力。
3. 气体分子的扩散：气体分子在容器内由高浓度区域向低浓度区域自发性地运动，从而实现了扩散。
这个过程是由气体分子的不断热运动所驱动的。
三、扩散的影响因素1. 温度：温度升高会加快分子的热运动速度，从而促进扩散的发生。
2. 浓度差：浓度差越大，扩散越快。
3. 扩散系数：扩散系数是评价某种物质在给定条件下的扩散速率的因素。
四、扩散的应用1. 生物学：细胞能够通过扩散的方式从细胞外部获取氧气和营养物质，排除废物。
2. 化学工业：化学反应中许多反应物和产物都需要通过扩散来实现。
3. 材料科学：扩散对于材料的热处理和表面处理具有重要意义。
五、扩散的研究方法1. 扩散试验：扩散试验是通过对实验条件的控制，通过测定扩散系数等参数来研究扩散现象。
2. 模拟计算：计算机模拟可以通过数值计算模拟扩散过程，进一步深入研究扩散现象。
3. 实验观察：通过显微镜等仪器观察扩散现象，了解扩散的过程和规律。
六、扩散的发展趋势1. 理论研究：扩散现象的理论研究将进一步深化，更精确的模型将被建立。
2. 技术应用：扩散技术将被应用到更多的领域，包括新材料的生产和表面处理等。
3. 环境保护：在环境保护领域，扩散技术将有望用于污染物的清除和处理。
综上所述，扩散现象是自然界中一种普遍存在的物理现象，它在生物学、化学工业、材料科学等领域都有重要的应用和研究价值。
通过对扩散现象的深入研究，可以更好地认识自然界的规律，推动科学技术的发展。
扩散-影响因素
反应扩散 离子晶体的扩散
影响扩散的因素
1、温度 温度是影响扩散速率的最主要因素
D D0 e
Q RT
, T升高，D成指数急剧上升
在低温下，固体材料的扩散很小，可以忽略
C在 Fe中的扩散系数， : 1200 1300K T D增加了约3倍 D1200 1.611011 m 2 / s D1300 4.67 1011 m 2 / s
气敏陶瓷
SnO2 ZnO Fe2O3 ZrO2 CoO2-MgO
气体探测：燃气报警、汽车传感
• 湿敏陶瓷 MgCr2O4-TiO2 Si-Na2O-V2O5 • 光敏陶瓷 红外探测、CCD CdS CaSe PaS • 压敏陶瓷 压力传感器 ZnO
非化学计量比缺陷
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。
替换后过量的电荷数 空位数量 对应 离子的价数
离子晶体的扩散机制
1) 空位扩散 MgO中的Mg2+ 2) 间隙扩散 AgBr中的Ag13) 亚晶格间隙扩散，特例AgI CuI 离子电导 、超离子电导 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 当外加电场后，材料中的离子定向移动， 产生电流
3、结构因素
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 晶体结构 α-Fe的自扩散系数大约是γ-Fe的240倍（912 ℃ ） Ni在α-Fe中的扩散系数是γ-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
影响扩散系数的因素
图14 扩散系数与温度的关系
10-5 10-6 D(cm2/s-1) 10-7 10-8 10-9 10-10 Si Na Ca
0.5
1.0
1000/T(k-1)
1.5
图15 硅酸盐中阳离子的扩散系数
利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的主要途径。
一般而言，高价阳离子的引入可造成晶格中出现阳离子空
Ds
Dg
Dg
0.40.8Fra bibliotek1.21.6
2.0
2.4
3.0
图13 Ag的自扩散系数Db，晶界扩散系数Dg和表面扩散系数Ds
四、温度与杂质的影响
图14给出了一些常见氧化物中参与构成氧化物的阳离 子或阴离子的扩散系数随温度的变化关系。 应该指出，对于大多数实用晶体材料，由于其或多或 少地含有一定量的杂质以及具有一定的热历史，因而温度 对其扩散系数的影响往往不完全象图所示的那样，1nD～1 ／T间均成直线关系，而可能出现曲线或者不同温度区间出 现不同斜率的直线段。这一差别主要是由于活化能随温度 变化所引起的。
位和造成晶格畸变，从而使阳离子扩散系数增大。且当杂 质含量增加，非本征扩散与本征扩散温度转折点升高.
反之，若杂质原子与结构中部分空位发生缔合，往往
会使结构中总空位增加而有利于扩散。
本章小结： 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 动而触发(导致)的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惟 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。
影响扩散的因素
影响扩散的因素影响扩散的因素1. 温度升高，扩散原子获得能量超越势垒几率增大，且空位浓度增大，有利扩散。
2. 原子结合键越弱，Q越小，D越大。
3. 在间隙固溶体中，扩散激活能较小，原子扩散较快；在置换固溶体中扩散激活能比间隙扩散大得多。
4. 晶体的致密度越高，原子扩散时的路径越窄，产生的晶格畸变越大，同时原子结合能也越大，使得扩散激活能越大，扩散系数减小。
5. 晶粒尺寸越小，金属的晶界面积越多，晶界扩散对扩散系数的贡献就越大。
6. 晶体中的位错对扩散也有促进作用7. 化学成分影响：若增加浓度能使原子的Q减小，而D0增加，则D增大。
晶粒大小对材料强度和塑性的影响材料晶粒越细，室温强度越高，塑性越好，称为细晶强化。
位错理论解释材料晶粒越细，强度越高，塑性越好。
在外加切应力作用下，位错沿着某个滑移面运动，当位错运动至晶界受阻，便塞积起来，产生了应力集中。
由于粗品粒晶界塞积的位锗数多，产生的应力集中较大，更容易使相邻晶粒的位错源开动，即在较低的外力下就开始塑性交形，因而粗品粒的屈服强度较低。
比较金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料在结合键上的差别及用途。
分析：工程上主要是根据固体中结合键的特点或本性进行分类的，不同的材料有不同的用途。
解题：简单金属的结合键完全为金属键，过渡族金属的结合键为金属键和共价键的混合，但以金属键为主。
陶瓷材料是由一种或多种金属同一种非金属（通常为氧）相结合的化合物，其主要结合方式为离子键，也有一定成文的共价键。
在高分子材料中，大分子内的原子之间结合方式为共价键，而大分子之间的结合为分子键。
复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的物质，因而其结合键非常复杂，不能一概而论。
金属材料应用面最广，其中有色金属的轻合金在航空工业中有着重要应用。
陶瓷材料有高的硬度、高的耐磨性、高的耐腐蚀性和高的抗氧化能力，但最大弱点是塑性极低，所以很少在常温下作为受力的结构材料，但作为耐温材料潜力很大。
影响扩散的因素
影响扩散的因素1. 温度对扩散的影响扩散系数Ｄ与温度Ｔ的关系符合阿仑尼乌斯（Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ）公式：Ｄ＝Ｄ0ｅ-Q/RT，所以温度是影响扩散系数的最主要因素。
随着温度的升高，扩散系数急剧增大。
原因：温度升高，原子通过能量起伏而越过势垒进行跃迁的几率增大。
此外。
温度升高，空位浓度急剧增大，有利于实现原子迁移。
2. 键能和晶体结构对扩散的影响（１）原子间的结合能越大，扩散激活能就越大。
高熔点金属具有较低的扩散系数。
（２）在致密度大的晶体结构中，原子扩散激活能较高，扩散系数较小。
（碳在奥氏体扩散系数小于铁素体，但是渗碳一般选择在奥氏体区，因为温度高）3. 固溶体类型对扩散的影响不同类型的固溶体，溶质原子的扩散激活能不同。
间隙原子的激活能都比置换原子的小，所以扩散速度也较大。
4. 晶体缺陷对扩散的影响对一定的晶体结构，表面扩散最快，晶界次之，亚晶界又次之，晶内扩散最慢。
一般的，空位和位错加速晶体中的扩散过程．位错密度增加，扩散速度加快。
原因：晶格发生畸变，能量较高，其扩散激活能较小5. 化学成分对扩散的影响（１）加入合金元素影响合金熔点时的情况当加入合金元素使合金的熔点降低时，则该合金元素会使溶质或溶剂组元的扩散系数增加；反之，当加入合金元素使合金的熔点升高时，则该合金元素会使溶质或溶剂组元的扩散系数降低。
（２）合金元素对碳在γ－Ｆｅ中扩散系数的影响其影响可分为以下三种情况：●形成碳化物的元素，如Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ等，由于它们和碳的亲和力较大，能够强烈阻止碳的扩散，因而降低碳的扩散系数。
●不能形成碳化物，但易溶于碳化物中的元素，如Ｍｎ等，它们对碳的扩散系数影响不大。
●不形成碳化物而溶于固溶体中的元素，如Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉ等，其中两个提高碳的扩散系数，而Ｓｉ降低碳的扩散系数。
影响扩散的因素
影响扩散的因素1. 温度对扩散的影响扩散系数Ｄ与温度Ｔ的关系符合阿仑尼乌斯（Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ）公式：Ｄ＝Ｄ0ｅ-Q/RT，所以温度是影响扩散系数的最主要因素。
随着温度的升高，扩散系数急剧增大。
原因：温度升高，原子通过能量起伏而越过势垒进行跃迁的几率增大。
此外。
温度升高，空位浓度急剧增大，有利于实现原子迁移。
2. 键能和晶体结构对扩散的影响（１）原子间的结合能越大，扩散激活能就越大。
高熔点金属具有较低的扩散系数。
（２）在致密度大的晶体结构中，原子扩散激活能较高，扩散系数较小。
（碳在奥氏体扩散系数小于铁素体，但是渗碳一般选择在奥氏体区，因为温度高）3. 固溶体类型对扩散的影响不同类型的固溶体，溶质原子的扩散激活能不同。
间隙原子的激活能都比置换原子的小，所以扩散速度也较大。
4. 晶体缺陷对扩散的影响对一定的晶体结构，表面扩散最快，晶界次之，亚晶界又次之，晶内扩散最慢。
一般的，空位和位错加速晶体中的扩散过程．位错密度增加，扩散速度加快。
原因：晶格发生畸变，能量较高，其扩散激活能较小5. 化学成分对扩散的影响（１）加入合金元素影响合金熔点时的情况当加入合金元素使合金的熔点降低时，则该合金元素会使溶质或溶剂组元的扩散系数增加；反之，当加入合金元素使合金的熔点升高时，则该合金元素会使溶质或溶剂组元的扩散系数降低。
（２）合金元素对碳在γ－Ｆｅ中扩散系数的影响其影响可分为以下三种情况：●形成碳化物的元素，如Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ等，由于它们和碳的亲和力较大，能够强烈阻止碳的扩散，因而降低碳的扩散系数。
●不能形成碳化物，但易溶于碳化物中的元素，如Ｍｎ等，它们对碳的扩散系数影响不大。
●不形成碳化物而溶于固溶体中的元素，如Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉ等，其中两个提高碳的扩散系数，而Ｓｉ降低碳的扩散系数。
第12讲扩散机制以及影响扩散因素、扩散驱动力
第十二讲扩散机制以及影响扩散因素、扩散驱动力1.空位扩散与间隙扩散考点再现：10年以填空的形式考察了间隙扩散和空位扩散两种金属晶体的扩散机制，对于自扩散的定义在08年以前的考试中出现过。
考试要求：对定义的记忆，这一部分今年是可能出填空或者名词解释题的。
知识点金属晶体的扩散机制由（间隙扩散）和（空位扩散）。
★★★间隙扩散：指小尺寸的原子在金属晶体内的扩散，间隙原子从一个八面体间隙运动到临近八面体间隙的过程。
★★空位扩散：晶格结点某处原子空缺时，相邻原子可能跃迁到此空穴位置，月前后又留下新的空穴，原子的这种扩散运动方式叫做空位扩散。
★★自扩散：当晶体内完全是同类原子时，原子在纯材料中的扩散称为自扩散。
★★★★扩散系数表达式★★★2.柯肯达尔效应考点再现：唯一的考点，柯肯达尔效应，09年出现过，10年没有考，11考考的可能性极大，大家要充分重视。
考试要求：在理解的基础上记忆，不知道在这个方面会不会增加难度，如果增加难度，比如说给大家一个实际的问题或者现象，让大家解释原因或者原理，大家不要忘记柯肯达尔效应，对于扩散方面能够解决很多的问题。
知识点柯肯达尔效应的理解，举例说明柯肯达尔效应。
★★★★★黄铜内流出的Zn原子多，铜盒中Cu原子流入黄铜内较少，Zn和Cu原子两者的扩散速度不一样，使Mo丝的间距发生变化。
由于界面两侧的两种原子，在互相扩散到对方的基体中，当其扩散速率不相等时，会发生原始界面的移动，界面移向原始扩散速度较大的一边，这种效应称为柯肯达尔效应。
以上的部分是对于柯肯达尔效应的题目的标准的答法，是命题教师知道我们做出的，所以大家要在理解的基础上对其进行记忆，而且尽量按照上面的内容来答。
3.影响扩散的因素与扩散驱动力考点再现：10年简答题出现了影响激活能的主要因素，影响扩散的因素在08年之前也出现过，这一部分的内容非常适合出填空题，所以大家要重视。
考试要求：这一部分大家记忆即可，但是如果是出简答题，就要求我们知道更多的信息，多答一些内容，将每一个小点加以扩充了。
扩散影响因素分析课件
实证模型的选择与构建
模型选择
基于研究目的和数据特点，选择 合适的实证模型，如多元回归模
型、面板数据分析模型等。
变量选择
根据理论和实证分析，选择与扩散 现象相关的自变量，如人口、交通 、经济等。
模型构建
根据选定的模型和变量，构建实证 模型，并确定模型的参数和假设条 件。
实证结果的分析与解释
结果分析
就业率
就业率越高，消费者的购买力 越强，市场扩散程度也会有所
提高。
社会文化因素
01
02
03
教育水平
教育水平越高，消费者对 产品的认知和接受程度越 高，市场扩散程度越高。
社会价值观
社会价值观的不同会导致 消费者对产品的评价和接 受程度不同，从而影响市 场扩散。
生活方式
生活方式的差异会导致消 费者对产品的需求和偏好 不同，从而影响市场扩散 。
岭回归分析
用于处理共线性问题，能 够更准确地估计影响因素 对扩散的影响。
基于时间序列分析的方法
时间序列平稳性检验
通过对时间序列数据的稳定性检验，判断是否存在趋势和季节性 变化。
ARIMA模型
通过构建自回归、移动平均和差分整合移动平均模型，来分析时间 序列数据的变化趋势和周期性变化。
单位根检验
用于检验时间序列数据的平稳性，判断是否存在单位根，以避免虚 假回归问题。
扩散现象的重要性
扩散现象是自然界和人类社会中普遍存在的现象，如气体扩散、物质溶解、信息传 播等。
扩散现象对环境和生态系统的影响深远，如污染物的扩散会影响空气和水质，进而 影响生态平衡。
在社会科学领域，扩散现象也具有重要地位，如创新扩散、文化传播、社会影响等 。
扩散现象的基本概念
影响固态扩散的因素
影响固态扩散的因素
影响固态扩散的因素主要包括以下几个方面：
1. 温度：温度是影响固态扩散速率的最重要因素，随着温度的升高，原子或分子的扩散速率将增加。
2. 材料性质：材料的晶体结构、化学成分和晶界等因素都会影响固态扩散。
晶体结构的稳定性和缺陷密度越高，扩散速率可能越大。
材料的化学成分中有利于扩散的元素浓度越高，扩散速率可能越大。
晶界是扩散的有效通道，晶界密度和晶界角度也会影响扩散速率。
3. 扩散物质：不同的扩散物质具有不同的扩散速率。
在相同的温度和材料条件下，质量小、尺寸小的物质扩散速率可能更快。
4. 应力和压力：应力和压力会影响材料的晶体缺陷和晶界运动，从而影响固态扩散速率。
5. 扩散路径：不同的扩散路径会影响扩散速率。
扩散可以发生在固态晶体内部，也可以发生在晶界和界面之间。
总之，固态扩散是一个复杂的过程，受多个因素的综合影响。
了解这些因素可以帮助我们更好地理解和控制固态扩散过程。
探究影响扩散作用现象的因素实验步骤
探究影响扩散作用现象的因素实验步骤探究影响扩散作用现象的因素实验步骤:1.准备材料:塑料袋、酒精灯、火柴、石棉网等。
2.实验方法:点燃一根火柴，放在桌面上，立即将瓶中液体倒入另外一个干净的透明玻璃杯里。
3.观察现象4.总结结论通过这次实验我发现：实验中，火焰能够加快物质的传递速度。
当液体表面有空气或者有细小固体颗粒时，都会使扩散减慢；同样，温度越高，分子运动得越剧烈，也就是说，温度升高后，分子间距离变大了，所以扩散就比较慢。
但如果没有其他条件限制，例如不考虑其它条件对扩散的影响，那么只要温度足够高，则可认为扩散与温度无关。
- 1 -。
影响扩散系数的因素综述
原子半径(A) 44 1.71 1.74 1.82 1.44 1.52 1.53 1.61
三、结构缺陷的影响 实验表明，在金属材料和离子晶体中，原子或离 子在晶界上扩散远比在晶粒内部扩散来得快。有实 验表明，，其些氧化物晶体材料的晶界对离子的扩 散有选择性的增加作用，例如在．Fe2O3，、CoO、 SrTiO3，材料中晶界或位错有增加O2-离子的扩散 作用，而在BeO、UO2、Cu2O和(Zr，Ca)O2等材料 中则无此效应。
若干金属在铅中的扩散系数
在铅中的溶解度 极限％(原子比) 0.05 79 100 35 0.12 1.7 2.9 3.5 扩散元素的 熔化温度(℃) 1063 303 327 271 960 321 232 630 扩散系数 (cm2 /sec) 5 4.6ⅹ10 3.6ⅹ10-10 7ⅹ10-11 4.4ⅹ10-10 9.1ⅹ10-8 2ⅹ10-9 1.6ⅹ10-10 6.4ⅹ10-10
位和造成晶格畸变，从而使阳离子扩散系数增大。且当杂 质含量增加，非本征扩散与本征扩散温度转折点升高.
反之，若杂质原子与结构中部分空位发生缔合，往往
会使结构中总空位增加而有利于扩散。
本章小结： 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 动而触发(导致)的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惟 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。
Q D D0 exp( ) RT
论扩散过程的影响因素及控制技术
△G 称为扩散活化能。其大小除了与温度有关外，还 取决于粒子在晶体中的境遇和粒子的迁移方式。
晶体中粒子迁移的方式，即扩散机制，有五种：
(a)易位扩散
(b)环形扩散 (c)间隙扩散 (d)准间隙扩散 (e)空位扩散
上述粒子扩散完全是由热振动引起的无序的、向任意 方向的迁移。要形成定向的扩散，必须有推动力，而 推动力一般就是浓度梯度。
二影响扩散过程的因素?温度和压力?材料的结构?组元特性和化学成分?结构缺陷扩散是一个基本的动力学过程对材料制备加工中的性能变化及显微结构形成以及材料使用过程中性能衰减起着决定性的作用对相应过程的控制往往从影响扩散速度的因素入手来控制
论扩散过程的影响因 素及控制技术
组员：罗来雁 汪子亦 张亚丹
一、固体扩散机构
对于固体扩散，固体中的粒子迁移必须克服一定的势 垒△Gm，原子跳动频率对温度T十分敏感，T越高原 子平均动能越大，能跳入临近间隙位置的几率增大， 因此高的温度有助于扩散进行。 扩散系数是决定扩散速度的重要参量：
Q D D0 exp( ) RT
从数学关系上看，扩散系数主要决定于温度，显于 函数关系中，其他一些因素则隐含于D0和Q中。
三、扩散过程的控制技术
利用杂质对扩散的影响是人们改善扩散的主要途 径。一般而言，高价阳离子的引入可造成晶格中出 现阳离子空位和造成晶格畸变，从而使阳离子扩散 系数增大。且当杂质含量增加，非本征扩散与本征 扩散温度转折点升高。 反之，若杂质原子与结构中部分空位发生缔合， 往往会使结构中总空位增加而有利于扩散。
组元特性和化学成分的影响
原子之间的结合键力越强，通常对应材料的熔点也越高， 激活能较大，扩散系数较小。材料的成分不同，即组成材料 的元素和比例不同，不同原子之间结合键能不一样，成分的 变化也影响不同类型结合键的相对数量，所以材料的成分变 化带来的影响有： （1）结合键能的不同，一种元素的数量(成分比例)可能改 变自己或其他元素的化学位，从而影响扩散的速度，甚至方 向； （2）空位扩散(置换原子)通量决定于互扩散系数，互扩散 系数本身就是各组元成分的函数。
简单扩散的特点和影响因素
简单扩散的特点和影响因素简单扩散是指在一个系统中，某种物质或现象由高浓度向低浓度扩散的过程。
它是自然界中普遍存在的现象，具有一些特点和受到一些影响因素的制约。
简单扩散的特点是无需能量消耗。
在简单扩散过程中，物质的扩散是由于其分子间的热运动引起的，而不需要外界能量的输入。
这是因为分子的热运动会使其具有动能，从而使得分子具有向各个方向运动的趋势。
当物质浓度不均匀时，由于分子的热运动，高浓度区域的分子会向低浓度区域扩散，使得浓度逐渐均匀化。
简单扩散的速率受到温度、浓度差和分子大小的影响。
温度越高，分子的热运动越剧烈，扩散速率越快；浓度差越大，扩散速率越快；分子大小越小，扩散速率越快。
这是因为温度高会增加分子的平均动能，使得分子更容易克服障碍继续扩散；浓度差大意味着分子间的差异性越大，扩散的趋势越明显；分子越小，其热运动引起的速度越快，扩散速率也就越快。
在生物体内，简单扩散是一种重要的物质传输方式。
例如，人体的细胞膜具有选择性通透性，某些小分子可以通过细胞膜的简单扩散进行跨膜运输。
这种过程不需要能量消耗，但受到一些因素的影响。
首先，分子的大小和极性会影响其能否通过细胞膜。
通常来说，较小且非极性的分子能够更容易通过细胞膜进行扩散，而较大或极性的分子则难以通过。
其次，细胞膜的温度和浓度差也会影响扩散的速率。
温度较高或浓度差较大时，分子的扩散速率会增加。
除生物体内的简单扩散外，这种现象在自然界中也广泛存在。
例如，气体的扩散就是一种简单扩散现象。
当气体分子在一个封闭容器内存在浓度差时，分子会通过简单扩散使得浓度逐渐均匀化。
此外，液体和固体中的溶质也可以通过简单扩散进行传输。
当液体或固体中存在浓度差时，溶质分子会通过简单扩散从高浓度区域向低浓度区域扩散，使得浓度逐渐均匀。
总的来说，简单扩散是一种自然界中常见的物质传输过程，具有无需能量消耗、速率受温度、浓度差和分子大小影响的特点。
在生物体内，简单扩散是一种重要的细胞膜传输方式。
《材料科学基础》课件4影响扩散的因素
锌 在 黄 铜 中 的 扩 散 系 数
晶粒尺寸小，晶界多，D明显增加。
点缺陷：主要影响扩散的空位浓度。
线缺陷：线缺陷主要形式是位错，位错线附近的溶质原子 的浓度高于平均值；位错象一根管道，沿位错扩散激活能很 低，D可以很高，原子在位错中沿位错线的管道扩散比晶体中 的扩散快。但位错截面积总分数很少，只在低温时明显，如 低温时过饱和固溶体分解时沉淀相在位错形核。
空位扩散(置换原子)通量决定于互扩散系数，互扩散系 数本身就是各组元成分的函数。
几种合金相图与互扩散系数间的关系
（6）第三元素（或杂质）影响
– 形成碳化物元素，如W、Mo、 Cr等，降低碳的扩散系数； – 形成不稳定碳化物，如Mn， 对碳的扩散影响不大； – 不形成碳化物元素，影响不一， 如Co、Ni可提高C的扩散，而Si 则降低碳的扩散。
合金元素对碳在γ-Fe中扩散系数的影响
碳钢和硅钢组成的扩散偶 初始状态：两者的碳浓度相同，没有浓度梯度。 在1050℃扩散后，形成了浓度梯度。
（7）扩散元素浓度 溶质扩散系数随浓度增加而增大。
其系 他数 组与 元其 在浓 铜度 中间 的的 扩关 散系
（8）其他因素 弹性应力场：可以加速尺寸大的原子向拉应力大处扩散， 同样加速尺寸小的原子向压应力大处扩散，这种扩散可以松 弛应力，但也能把原来的弹性应变部分的转化为不可恢复的 永久变形(塑性变形)，这种在应力作用下的扩散过程也是材 料以蠕变方式发生塑性变形的基本机制。
• 对于形成固溶体系统，则固溶体结构类型对扩散有着显著影 响。例如，间隙型固溶体比置换型容易扩散。
• 同素异晶转变的金属中，D随晶体结构改变。
例如：910℃时，Dα-Fe/Dγ-Fe=280，α-Fe致密度低，且易形 成空位。γ-Fe具有最密排的点阵结构，致密度高，其中铁原 子的自扩散激活能大，扩散系数小，从而使其热强性好。故 具有γ型晶体结构的奥氏体钢可作为高温用钢。
双扩散的影响因素
双扩散的影响因素
双扩散是指在扩散系数和扩散浓度之间存在相互作用的扩散过程。
影响双扩散的因素主要包括以下几个方面：
1. 温度：温度对扩散系数和扩散浓度都有影响。
一般来说，随着温度的升高，扩散系数会增大，扩散速率加快。
而扩散浓度受温度影响主要表现为浓度的变化。
在高温下，离子和原子的活动性增加，扩散浓度也会增高。
2. 浓度梯度：浓度梯度是驱动扩散的主要力量之一。
浓度梯度的大小会影响扩散速率，浓度梯度越大，扩散速率越快。
3. 扩散物质的性质：扩散物质的性质也会影响双扩散过程。
例如，不同物质的分子或离子大小、极性等特性不同，会导致其扩散系数不同，从而影响扩散速率。
4. 孔隙结构：孔隙结构的大小和形状会影响扩散物质在材料中的传输速率。
孔隙结构越复杂，扩散速率越慢；孔隙结构越大，扩散速率越快。
5. 材料的物理和化学性质：材料的物理和化学性质也会影响双扩散过程。
例如，材料的晶格结构、化学成分等会影响扩散物质在材料中的传输速率和浓度分布。
总之，双扩散的影响因素较为复杂，综合考虑以上几个方面的因素可以更好地理解和预测双扩散过程。
质量扩散系数
质量扩散系数一、概念定义质量扩散系数，又称为扩散系数，是指在单位时间内，物质由高浓度区域向低浓度区域扩散的速率。
它是描述物质扩散过程中物质传递的重要参数之一。
二、影响因素1.温度：温度升高会增加分子热运动的速度和能量，从而加快物质的扩散速率。
2.浓度差：浓度差越大，扩散速率越快。
3.介质性质：介质密度越小、粘性越小、分子间距离越大，则扩散速率越快。
4.分子大小：分子越小，则其在介质中的自由程（即平均自由运动距离）越大，从而可以更容易地穿过孔隙进入下一个位置。
三、计算方法1.菲克定律：菲克定律是描述物质扩散过程中物质传递的基本规律。
它表示了单位面积上单位时间内通过该面积的物质量与该面积上浓度梯度之间的关系。
其表达式为：J=-D(dC/dx)其中J为单位面积上单位时间内通过该面积的物质量，D为扩散系数，dC/dx为浓度梯度。
2.斯托克斯-爱因斯坦公式：适用于粒径小于1微米的分子扩散。
其表达式为：D=kT/6πηr其中D为扩散系数，k为玻尔兹曼常数，T为温度，η为介质粘度，r 为分子半径。
四、应用领域1.环境污染：在大气、水体等环境中，质量扩散系数是描述污染物传输的重要参数之一。
2.材料科学：在材料制备过程中，质量扩散系数对材料的性能和结构有着重要影响。
3.生物医学：在药物研发和生物反应器设计中，质量扩散系数是评估药物传输和细胞代谢的关键参数。
五、实验方法1.测定液体中某一溶质的浓度随时间变化的曲线，并根据菲克定律计算出扩散系数。
2.利用离子色谱、气相色谱等仪器直接测定扩散系数。
3.利用分子动力学模拟等计算方法预测扩散系数。
六、总结质量扩散系数是描述物质在介质中传递的重要参数，影响因素包括温度、浓度差、介质性质和分子大小等。
常用的计算方法有菲克定律和斯托克斯-爱因斯坦公式。
在环境污染、材料科学和生物医学等领域都有着广泛的应用。
实验方法包括测定浓度随时间变化曲线、仪器直接测定和计算方法预测等。
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燃料
电解质 阳极 电极 阴极 工作温 度
煤气,天然气, 甲醇等
磷酸水溶液
煤气,天然 气,甲醇等
KLiCO3溶 盐
煤气,天然气,甲醇 纯H2 等
ZrO2-Y2O3(8 YSZ)
离子(Na离子) 多孔质石墨或Ni (Pt催化剂) 多孔质石墨或Ni (Pt催化剂) -100℃
多孔质石墨 (Pt催化剂) 含Pt催化剂+ 多孔 质石墨+Tefion
离子电导
金属中：电子 离子晶体：离子或空位 电导率与扩散系数密切相关 2 nq 间隙机制 i DT kT 空位机制
nq , f为空位机制相关因子， f 1 DT fkT
2 i
离子导电陶瓷
氧离子导体 ZrO2 CaTiO3 钠离子导体 Na β-Al2O3 锂 离子导体 Li β-Al2O3 Li3N 氢离子导体 H β-Al2O3
1、温度的影响
D D0 e
Q / RT
Q ln D ln D0 RT ln D与1 / T成线性关系，作图确定 D0和Q 亦可反映扩散机制的变 化
2、成份的影响
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 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 增大：Ni Mn C 在γ-Fe中 减少：Ni在Au-Ni中 第三组元的影响 对γ-Fe，促进扩散元素：Co 阻碍扩散元素：Mo W
1、温度的影响
对不同物质： 同一温度600℃对Al,Fe来说D差别很大 Al此时D很大,Fe此时D很小 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，D越大
T Tm T , 来近似比较，说明温度 的影响 Tm Tm Tm 越大，说明原子结合力 越大，扩散所需的能量 越高， 需要的更高的扩散温度
A' (C ) / t x 2 A' (C ) t x 2 B(C )t
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 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 肖特基缺陷 阳离子空位+阴离子空位—缺陷离子对 弗仑克尔缺陷 填隙原子 空位 非化学计量比缺陷 掺杂
非化学计量比缺陷
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。
替换后过量的电荷数 空位数量 对应 离子的价数
离子晶体的扩散机制
1) 空位扩散 MgO中的Mg2+ 2) 间隙扩散 AgBr中的Ag13) 亚晶格间隙扩散，特例AgI CuI 离子电导 、超离子电导 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 当外加电场后，材料中的离子定向移动， 产生电流
………… 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
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)
m (Cra Car) 1 dx
C C Dra ( ) r ,a Dar ( ) a ,r 1 dt x x dx 1 C C D ( ) D ( ) a ,r ra r ,a ar dt (Cra Car ) x x 玻尔兹曼变换， x t C C 1 dC x X t d dx 1 ( DK ) ar ( DK ) ra 1 dt (Cra Car ) t
4、晶体缺陷-短路扩散
缺陷处原子处于较高的能态，易跃迁 缺陷处的扩散激活能比晶内小
表面扩散>界面扩散>点阵扩散
反应扩散
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 的固溶度 反应扩散：一般出现在表面渗CN等处理中， 当某种元素通过扩散，自金属表面向内渗 透时，若渗入元素含量超过基体金属的溶 解度，会在扩散过程中出现新相，这种通 过扩散形成新相的现象称为多相扩散，习 惯上也称为相变扩散或反应扩散
影响扩散的因素
1、温度 温度是影响扩散速率的最主要因素
D ห้องสมุดไป่ตู้D0 e
Q RT
, T升高，D成指数急剧上升
在低温下，固体材料的扩散很小，可以忽略
C在 Fe中的扩散系数， T : 1200 1300K D增加了约3倍 D1200 1.611011 m 2 / s D1300 4.67 1011 m 2 / s
-200℃
多孔质镍 (不要Pt催 化剂) 多孔 NiO(掺锂)
-650℃
Ni-ZrO2金属陶瓷 (不要Pt催化剂) LaxSr1xMn(Co)O3 800-1000℃
敏感陶瓷—半导体陶瓷
传感器的关键材料 半导体陶瓷共同的特点：导电性随环境变化 热敏陶瓷 湿敏陶瓷 光敏陶瓷 压敏陶瓷 气敏陶瓷 ….
特点
1) 相变，扩散过程中有多相存在 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
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 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
3、结构因素
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 晶体结构 α-Fe的自扩散系数大约是γ-Fe的240倍（912 ℃ ） Ni在α-Fe中的扩散系数是γ-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