Dyfuzja i jej zastosowania.
Wojciech ZajÄ…czkowski
Wydział Fizyki i Informatyki Stosowanej
Akademii Górniczo-Hutniczej
im. Stanisława Staszica
w Krakowie
Kraków
11 kwietnia 2008
Definicja
Dyfuzja:
proces rozprzestrzeniania się cząsteczek lub energii w danym ośrodku
(np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych
zderzeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą i/lub z cząsteczkami
otaczającego ją ośrodka.
Zjawisko dyfuzji zachodzi:
" w stanie stałym
* sieciowa;
* objętościowa;
* powierzchniowa
" w stanie ciekłym
" w stanie gazowym
Mechanizmy dyfuzji.
Wyróżniamy trzy zasadnicze mechanizmy dyfuzji:
" mechanizm wakansyjny (zachodzÄ…cy w roztworach substytucyjnych).
" mechanizm międzywęzłowy (w roztworach międzywęzłowych).
" mechanizmy związane z obecnością defektów sieci
(dyslokacje, granice ziaren).
Energia aktywacji.
Energia aktywacji:
" Największa energia aktywacji dla
mechanizmu:
* wakansyjnego;
* poprzez położenia międzywęzłowe;
" Dyfuzja po granicach ziarn wymaga
mniejszej energii.
" Dyfuzja powierzchniowa wymaga
najmniejszej energii,
Duża energia aktywacji odpowiada niskiej szybkości dyfuzji, tzn niskiej
stałej dyfuzji
E
D = D0exp[- ]
kT
Prawa dyfuzji.
I prawo Ficka.
Definiuje strumień dyfundowanych atomów (szybkość dyfuzji). Jest sosowane
wówczas gdy strumień dyfuzji objętościowej nie zmiania się z czasem.
(Jin = Jout)
"Ć
J = -D
"x
gdzie:
1
" J [ ] - strumień dysfundujących
cm2s
atomów;
cm2
" D [ ] - współczynik
s
proporcjonalności;
1
" Ć [ ] - stężenie;
cm3
" X [cm] - odległość od z
ródła
dyfundujÄ…cej substancji.
Prawa dyfuzji.
II prawo Ficka.
Opisuje przebieg dyfuzji w czasie.
´Ć ´ ´Ć
= (D )
´t ´x ´x
gdzie:
cm2
" D [ ] - współczynik
s
proporcjonalności;
1
" Ć [ ] - stężenie;
cm3
" x [cm] - odległość od z
ródła
dyfundujÄ…cej substancji.
" t [s] - czas.
Czyniki wpływające na szybkośc dyfuzji.
" Temperatura T  wiąże się z drganiami termicznymi atomów. Drgania te
dostarczają energii koniecznej do przeskoku atomu z jednego węzła do
drugiego.
EA
D = D0exp[- ]
kT
" Czas t  średnia droga kwadratowa dyfundującego atomu rośnie z
upływem czasu.
x2(t) = 2Dt
" Wzrost gęstości defektów w sieci sprzyja wzrostowi wsp. dyfuzji D.
" Wzrost cisnienia obniża współczynik dyfuzji (odgrywa znaczącą rolę przy
dużych ciśnieniach).
Znaczenie dyfuzji
" jest najczęściej spotykanym zjawiskiem fizycznym w naturze,
" warukuje zachodzenie wielu istotnych procesów w metalurgii oraz ceramice,
" istony proces w materii ożywionej.
Przewodnictwo jonowe
" Poraz pierwszy przewodnictwo jonowe zostało zaobserwowane w 1839r.
przez Faradaya w PbF2
" Poza cieczami również niektóre ciała stałe wykacują przewodnictwo jonowe
(elektrolity stałe).
" Aby duża liczba jonów mogła być ruchliwa
potrzebna jest również duża liczba pustych miejsc:
wakansów lub położeń międzywęzłowych.
" Zarówno puste oraz zajęte położenia (węzłowe lub
międzywęzłowe) powinny mieć zbliżoną energię
potencjalną, z niską barierą potencjału pomiędzy
nimi.
" Jony tworzące podsieć, powinny być łatwo
polaryzowalne.
Materjały przewodzące jonowo.
Przewodniki jonów O2-:
* typowy przewodnik tego typu to tlenek czterowartościowego pierwiastka
np: Zr, Ce, U lub Th.
* tlenek ten powinien tworzyć roztwór stały z tlenkiem pierwiastka o niższej
wartościowości np: Y, Mg, Ca.
* znajduje zastosowanie w budowie ogniw paliwiwych np. BaCe1-xYxO3
Część atomów ceru zostaje zastąpiona itrem.
Itr zajmuje położenia węzłowe w sieci krystalicznej co powoduje powstawianie
durzej ilości wakansów tlenowych.
Synteza w fazie stałej
" dyfuzja jest warunkiem zajścia procesu technologicznego,
" synteza w fazie stałej polega na ogrzewaniu mieszain dwu lub wiecej
składników w celu uzyskanie stałego produktu końcowego.
" przykład reakcji: spiekanie.
Spiekanie.
Proces dyfuzji w czasie spiekania.
" przegrupowanie ziaren,
" kondensacja,
" dyfuzja.
Spiekanie.
Koniec