无机材料科学基础第八章扩散

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

分退火的玻璃中的扩散系数。（高于、低于、等于）

9．在UO 2晶体中，O 2－的扩散是按 机制进行的。（空位、间隙、掺杂点缺陷）

填空题答案：

1、易位扩散、环形扩散、空位扩散、间隙扩散、准间隙扩散

2、1+（δln γi ）/（δlnNi ）＜0、由低浓度向高浓度扩散、偏聚、分相

3、化学位梯度、空位机制、间隙机制

4、4

5、热缺陷、空位形成能、空位迁移能、）（RT Q D D -=e

0 6、稳定扩散 、 x C D J ∂∂-= 、不稳定扩散、22x C D t

C ∂∂=∂∂ 7、本征扩散、非本征扩散

8、高于

9、间隙

四、试分析离子晶体中，阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数的原因。

阴离子通常作为堆积结构的基础，而阳离子通常填充于空隙之中，阳离子扩散相对较容易，而阴离子若要扩散则需要破坏堆积结构，所需要的能量更多，故阴离子扩散系数－般都小于阳离子扩散系数

六、碳、氮、氢在体心立方铁中扩散的激活能分别为84、75和13kJ/mol ，试对此差异进行分析和解释。

C-N-O 的半径依次减小，C-N-O 在间隙中扩散的能力逐渐增加，故扩散的激活能越低

七、MgO 、CaO 、FeO 均具有NaCl 结构，在各晶体中，它们的阳离子扩散活化能分别为：Na +在NaCl 中为41kcal/mol ，Mg 2+在MgO 中为83 kcal/mol ，Ca 2+在CaO 中为77 kcal/mol ，Fe 3+在FeO 中为23 kcal/mol ，试解释这种差异的原因。

1、由于FeO 为非化学计量型氧化物故扩散活化能较低

2、NaCl 中的Na 离子电价较低，故NaCl 扩散活化能相对较低

3、Ca 的半径比Mg 离子的半径大，故MgO 的扩散活化能高

八、已知氢和镍在面心立方铁中的扩散系数为：

s cm RT D H 218.410300exp 0063.0⎪⎭

⎫ ⎝⎛⨯-=和s cm RT D Ni 218.464000exp 1.4⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-=，试计算1000℃

的扩散系数，并对其差别进行解释。

4-210115.1273

314.818.410300exp 0063.018.410300exp 0063.0⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯-=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-=s cm RT D H

11-21033.415.1273

314.818.464000exp 1.418.464000exp 1.4⨯=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯-=⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯-=s cm RT D Ni

其中H 的离子半径明显小于Ni 的半径，故前者更容易扩散，其扩散系数也就越高

九、假定碳在α-Fe （体心立方）和γ-Fe （面心立方）中的扩散系数分别为：

()cm RT D 283600exp 0079.0-=α；()cm RT D 2141284exp 21.0-=γ，计算800℃

时各自的扩散系数，并解释其差别。

()cm RT D 283600exp 0079.0-=α=6.7×10-7

()cm RT D 2141284exp 21.0-=γ=2.8×10-8

α-Fe （体心立方）和γ-Fe （面心立方）相比结构更疏松，粒子在其中更容易扩散、故扩散系数越大

十、在制造硅半导体器体中，常使硼扩散到硅单品中，若在1600K 温度下．保持硼在硅单品表面的浓度恒定(恒定源半无限扩散)，要求距表面10-3cm 深度处硼的浓度是表面浓度的一半，问需要多长时间（已知D 1600℃=8×10-12cm 2/sec ；当5.02==

Dt x erf 时，5.02≈Dt x

）？

s 125000t ;5.010×82105.0010;05.010;01012-3-===--==--t

C C C C C C C C C C C ；起初无浓度，故

十一、Zn 2+在ZnS 中扩散时，563℃时的扩散系数为3×10-14cm 2/sec;450℃时的扩散系数为1.0×10-14cm 2/sec ，求：（a ）扩散的活化能和D 0；（b ）750℃时的扩散系数；（c ）根据你对结构的了解，请从运动的观点和缺陷的产生来推断活化能的含义；（d ）根据ZnS 和ZnO 相互类似，预测D 随硫的分压而变化的关系。