擴(kuò)散與固相反應(yīng)

1、第七章擴(kuò)散與固相反應(yīng)1、名詞解釋：非穩(wěn)定擴(kuò)散：擴(kuò)散過程中任一點(diǎn)濃度隨時(shí)間變化；穩(wěn)定擴(kuò)散：擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)濃度分布不隨時(shí)間變化。無序擴(kuò)散：無化學(xué)位梯度、濃度梯度、無外場(chǎng)推動(dòng)力，由熱起伏引起的擴(kuò)散。 質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散是無序的、隨機(jī)的。本征擴(kuò)散：主要出現(xiàn)了肖特基和弗蘭克爾點(diǎn)缺陷，由此點(diǎn)缺陷引起的擴(kuò)散為本征擴(kuò)散（空位來源于晶體結(jié)構(gòu)中本征熱缺陷而引起的質(zhì)點(diǎn)遷 移）；非本征擴(kuò)散：空位來源于摻雜而引起的質(zhì)點(diǎn)遷移。正擴(kuò)散和逆擴(kuò)散：正擴(kuò)散：當(dāng)熱力學(xué)因子時(shí)，物質(zhì)由高濃度處流向低濃度處，擴(kuò)散結(jié)果使溶質(zhì) 趨于均勻化，Di0。逆擴(kuò)散：當(dāng)熱力學(xué)因子 時(shí)，物質(zhì)由低濃度處流向高濃度處，擴(kuò)散結(jié)果使溶質(zhì) 偏聚或分相，Di936.5K 5、（

2、1）試述晶體中質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散機(jī)構(gòu)及方式。（2）設(shè)體積擴(kuò)散與晶界擴(kuò)散活化 能間關(guān)系為Qgb=Qv/2 （Qgb、Qv分別為晶界擴(kuò)散與體積擴(kuò)散活化能），試畫 出InDI/T曲線，并分析在哪個(gè)溫度范圍內(nèi)，晶界擴(kuò)散超過體積擴(kuò)散？ 解：（1）晶體中質(zhì)點(diǎn)的遷移機(jī)構(gòu)主要有兩種：空位機(jī)構(gòu)和間隙機(jī)構(gòu)?？瘴粰C(jī) 構(gòu)：晶格結(jié)點(diǎn)上的質(zhì)點(diǎn)躍遷到鄰近空位，空位則反向躍遷；間隙機(jī) 構(gòu)：處于間隙位置的質(zhì)點(diǎn)從一個(gè)間隙位置遷移到另一個(gè)間隙位置； 其它在亞間隙機(jī)構(gòu)中，處于間隙位置的質(zhì)點(diǎn)將晶格結(jié)點(diǎn)上的質(zhì)點(diǎn)彈 入間隙位置并占據(jù)該位置，其晶格變形程度介于空位機(jī)構(gòu)與間隙機(jī) 構(gòu)之間。（2）由擴(kuò)散系數(shù)： 曲菁）或lnD“nD0譯，晶界擴(kuò)散有:ln

3、Dgb =ln Dgb0 -丑，體積擴(kuò)散有:RT即叫。罟 皿善，0 Qln Dv =ln Dv，欲使 Dgb Dv，RT0ln0 ， 移項(xiàng)得 DV0 2RTgb，則當(dāng)T : Tc時(shí)，以T ：Qvd 0 或 T ： ，令 Tc :2R l-Df） Rln（*）DgbDgb晶界擴(kuò)散為主，Dgb Dv ;當(dāng)T Tc時(shí)，以體積擴(kuò)散為主，Dgb：Dv。& MoO3和CaCO3反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)機(jī)理受到 CaCO3顆粒大小的影響，當(dāng) MoO3 :CaCO3 = 1 : 1; rMoO3=0.036mm, r caCO3 =0.13mm 時(shí)，反應(yīng)由擴(kuò)散控制。當(dāng) MoO3： CaCO3 = 1 : 15; r ca

4、co3 60冶=82 個(gè)。10、在恒定源條件下820C時(shí)，鋼經(jīng)1小時(shí)的滲碳，可得到一定厚度的表面滲碳 層，若在同樣條件下，要得到兩倍厚度的滲碳層需要幾個(gè)小時(shí)？根據(jù)恒定源擴(kuò)散深度x二K、, Dt , x：t1/2，所以要得到兩倍厚度的滲碳層，需4h。在不穩(wěn)定擴(kuò)散條件下800C時(shí)，在鋼中滲碳100分鐘可得到合適厚度的滲碳 層，若在1000C時(shí)要得到同樣厚度的滲碳層，需要多少時(shí)間(Do=2.4 X0-12m2 / sec D1000 =3 X0-11m2/ sec) ?不穩(wěn)定擴(kuò)散中恒定源擴(kuò)散問題，x二K.頁，已知x不變，X1-K.D；，x2 二 K、D2t2， X1=X2，. D1t1=D2t2，已

5、知 D1， D2， t1，則可求 t2=480s。在制造硅半導(dǎo)體器體中，常使硼擴(kuò)散到硅單晶中，若在1600K溫度下，保持硼在硅單晶表面的濃度恒定(恒定源半無限擴(kuò)散)，要求距表面10-3cm深度處硼的濃度是表面濃度的一半，問需要多長時(shí)間(已知-12 2D1600 c =8 X10 cm /sec)?不穩(wěn)定擴(kuò)散恒定源半無限擴(kuò)散c(Xt,cerfc(N備)，已知c(1n = c/2,B 8,彳 0cm /sec,x erfc()13、13、解:解:14、14、x=10-3cm，D，求解 t=1.25 105s=34.7h。Zn2+在ZnS中擴(kuò)散時(shí)，563C時(shí)的擴(kuò)散系數(shù)為3X10-14cm2/sec；

6、 450 C時(shí)的擴(kuò) 散系數(shù)為1.0 10-14cm2/sec，求：(1)擴(kuò)散的活化能和D;( 2) 750 C時(shí) 的擴(kuò)散系數(shù)。(1) D=D 0exp (-Q/RT)T=563+273=836K 時(shí)，D=3X10-14cm2/s142T=450+273=723K 時(shí)，D=1.0 %0- cm /s 代入上式可求Q=48875J,-152D0=3.39 為0 cm /s(2) 略。在某種材料中，某種粒子的晶界擴(kuò)散系數(shù)與體積擴(kuò)散系數(shù)分別為Dgb=2.00 10-10exp (-19100/T)和 Dv=1.00 X0-4exp (-38200/T)，是求晶界 擴(kuò)散系數(shù)和體積擴(kuò)散系數(shù)分別在什么溫度范

7、圍內(nèi)占優(yōu)勢(shì)？晶 界擴(kuò)散 Dgb=2.002 10-10exp ( -19100/T),體擴(kuò)散 Dv=1.00 X0-4exp (-38200/T) ,T 增大，exp (-19100/T)減小,Dgb 減小，Dv 減??；T 減小， exp (-19100/T)增大，Dgb 增大，Dv 增大；計(jì)算有 T=1455.6K Dgb= Dv， T1455.6K 時(shí)，DgbDv，高溫時(shí)，體積擴(kuò)散占優(yōu)；T Dv， 低溫時(shí)，晶界擴(kuò)散占優(yōu)。=cerfc(),15、 假定碳在aFe (體心立方)和 Fe (面心立方)中的擴(kuò)散系數(shù)分別為：2D =0.0079exp-83600 (J/mol) /RTcm /sec

8、 ; Dy =0.21exp141284 (J/mol) /RTcm2/sec,計(jì)算800 C時(shí)各自的擴(kuò)散系數(shù)并解釋其差別。解：T=800+273=1073K 時(shí)，D a=0.0079ex(-83600/RT) =6.77 X0_7cm2/s, D 尸0.21exp (-141284/RT) =2.1 X108 cm2/s, Da D 擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)構(gòu)對(duì)擴(kuò)散有很大影響， 結(jié)構(gòu)疏松，擴(kuò)散阻力小而擴(kuò)散系數(shù)大，體心較面心疏松；aFe體心立方，p-Fe 面心立方。16、試分析離子晶體中 ,陰離子擴(kuò)散系數(shù)般都小于陽離子擴(kuò)散系數(shù)的原因 ? 解：離子晶體一般為陰離子作密堆積， 陽離子填充在四面體或八面體空隙中。 所以陽離子較易擴(kuò)散。 如果陰離子進(jìn)行擴(kuò)散， 則要改變晶體堆積方式， 阻力大。 從而就會(huì)拆散離子晶體的結(jié)構(gòu)骨架。17、試從結(jié)構(gòu)和能量的觀點(diǎn)解釋為什么 D表面D晶面D晶內(nèi) 解：固體表面質(zhì)點(diǎn)在表面力作用下，導(dǎo)致表面質(zhì)點(diǎn)的極化、變形、重排并引起原來的晶格畸變， 表面結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部， 并使表面處于較高的能量狀態(tài)。 晶體 的內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列有周期性， 每個(gè)質(zhì)點(diǎn)力場(chǎng)是對(duì)稱的， 質(zhì)點(diǎn)在表面遷移所需活 化能較晶體內(nèi)部小， 則相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)大。 同理，晶界上質(zhì)點(diǎn)排列方式不同 于內(nèi)部，排列混亂，存在著空位