扩散影响因素
扩散-影响因素
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
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。
《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。
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
矿石的扩散和渗透特性
a. 影响矿石的物理性质：渗透性良好的矿石通常具有较高的强度和硬度，不易破碎和磨损。b. 影响矿石的化学性质：渗透性良好的矿石通常具有较高的化学稳定性，不易发生化学反应和腐蚀。c. 影响矿石的冶炼性能：渗透性良好的矿石通常具有较高的冶炼性能，易于提取金属和其他有用成分。d. 影响矿石的环境影响：渗透性良好的矿石通常具有较低的环境影响，不易造成环境污染和生态破坏。
影响因素：扩散受到温度、压力和固体结构的影响，而渗透则受到液体的性质、固体表面的性质和温度等因素的影响。
机制：扩散是通过原子或分子之间的间隙进行的，而渗透则是通过液体分子与固体表面的相互作用进行的。
扩散和渗透在矿石中的作用
扩散：矿石中的元素通过扩散作用，可以改变矿石的化学成分和物理性质。
渗透：矿石中的元素通过渗透作用，可以改变矿石的化学成分和物理性质。
渗透过程的数学模型
扩散方程：描述矿石中溶质浓度随时间和空间的变化
渗透系数：衡量矿石渗透性的参数
边界条件：描述矿石表面和内部的溶质浓度边界条件
初始条件：描述矿石初始时刻的溶质浓度分布情况
数值模拟：通过计算机模拟渗透过程的数学模型，预测矿石的渗透特性
03
矿石扩散和渗透特性的关系
扩散和渗透的联系
扩散和渗透是矿石中两种重要的物理化学过程
扩散是物质在矿石中的迁移过程，渗透是物质在矿石中的传输过程
扩散和渗透相互影响，扩散速度会影响渗透速度，渗透速度也会影响扩散速度
扩散和渗透的相互作用会影响矿石的物理化学性质，如硬度、强度、耐磨性等
扩散和渗透的差异
Байду номын сангаас
定义：扩散是指物质在固体中的迁移，而渗透是指液体在固体中的迁移。
应用：扩散和渗透在材料科学、环境科学和生物医学等领域都有广泛的应用。
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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。
空位数量
替换后过量的电荷数 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，
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
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
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
间隙机制 空位机制
nqi2
DT kT
nqi2 , f为空位机制相关因子，f 1
DT fkT
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
………… 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
燃料
电解质
阳极 电极 阴极
工作温 度
磷酸盐型燃料 电池(PAFC)
煤气,天然气, 甲醇等
磷酸水溶液
多孔质石墨 (Pt催化剂) 含Pt催化剂+ 多孔 质石墨+Tefion
• 光敏陶瓷 红外探测、CCD CdS CaSe PaS
• 压敏陶瓷 压力传感器 ZnO
阻碍扩散元素：Mo W
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
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
(不要Pt催化剂) (Pt催化剂)
LaxSr1xMn(Co)O3
多孔质石墨或Ni (Pt催化剂)
-200℃
-650℃
800-1000℃
-100℃
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 ….
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
1、温度的影响
D D0eQ / RT
ln
D
ln
D0
Q 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
Hale Waihona Puke 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
影响扩散的因素 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，T :1200 1300K
D增加了约3倍 D1200 1.611011m2 / s D1300 4.67 1011m2 / s
融碳酸盐 型燃料电 池(MCFC)
煤气,天然 气,甲醇等
KLiCO3溶 盐
多孔质镍 (不要Pt催 化剂) 多孔 NiO(掺锂)
固体氧化物型燃 聚合物离子膜燃 料电池(SOFC) 料电池(PEMFC)
煤气,天然气,甲醇 等
纯H2
ZrO2-Y2O3(8 YSZ) 离子(Na离子)
Ni-ZrO2金属陶瓷 多孔质石墨或Ni
1 t
A'(C) / t
x 2A'(C) t x2 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
m (Cra Car) 1 dx
Dra
(
C x
)r
,a
Dar
(
C x
)a,r
1
dt
dx dt
(Cra
1
Car
)
Dra
(
C x
)r,a
Dar
( C x
)a,r
玻尔兹曼变换， x t
C C 1 dC x X t d
dx dt
(Cra
1 Car )
( DK ) ar
(DK)ra
热敏陶瓷
三类： 正温度系数热敏电阻（PTC）
BaTiO3 负温度系数热敏电阻（NTC）
Cu-Mn Co-Mn Ni-Mn MnCoO4 急剧变化热敏电阻（CTR）
VO2
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