Podstawy dyfuzji.

Podobne dokumenty
WYKŁAD 1. W przypadku zbiornika zawierającego gaz, stan układu jako całości jest opisany przez: temperaturę, ciśnienie i objętość.

11. DYNAMIKA RUCHU DRGAJĄCEGO

- substancje zawierające swobodne nośniki ładunku elektrycznego:

Transport zanieczyszceń. Mykola Shopa

Energia kinetyczna i praca. Energia potencjalna

Atom (cząsteczka niepolarna) w polu elektrycznym

PRZENIKANIE PRZEZ ŚCIANKĘ PŁASKĄ JEDNOWARSTWOWĄ. 3. wnikanie ciepła od ścianki do ośrodka ogrzewanego

Na skutek takiego przemieszcznia ładunku, energia potencjalna układu pole-ładunek zmienia się o:

Prawo Gaussa. Potencjał elektryczny.

Źródła pola magnetycznego

TECHNIKI INFORMATYCZNE W ODLEWNICTWIE

Guma Guma. Szkło Guma

Elektrostatyka. + (proton) - (elektron)

ZJAWISKA ELEKTROMAGNETYCZNE

FIZYKA 2. Janusz Andrzejewski

Seria 2, ćwiczenia do wykładu Od eksperymentu do poznania materii

Wykład Pojemność elektryczna. 7.1 Pole nieskończonej naładowanej warstwy. σ-ładunek powierzchniowy. S 2 E 2 E 1 y. ds 1.

Modelowanie przepływu cieczy przez ośrodki porowate Wykład III

τ teor = 0,25 G = 0,4*10 10 Pa (wartość teoretyczna) τ DEFEKTY LINIOWE: DYSLOKACJE

Wykład Półprzewodniki

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

FIZYKA BUDOWLI. wilgoć w przegrodach budowlanych. przyczyny zawilgocenia przegród budowlanych

00502 Podstawy kinematyki D Część 2 Iloczyn wektorowy i skalarny. Wektorowy opis ruchu. Względność ruchu. Prędkość w ruchu prostoliniowym.

II.6. Wahadło proste.

Siła tarcia. Tarcie jest zawsze przeciwnie skierowane do kierunku ruchu (do prędkości). R. D. Knight, Physics for scientists and engineers

L(x, 0, y, 0) = x 2 + y 2 (3)

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Elektrostatyka. A. Sieradzki IF PWr. Ogień Świętego Elma

POLE MAGNETYCZNE W PRÓŻNI. W roku 1820 Oersted zaobserwował oddziaływanie przewodnika, w którym płynął

Pole magnetyczne. 5.1 Oddziaływanie pola magnetycznego na ładunki. przewodniki z prądem Podstawowe zjawiska magnetyczne

PRĄD ELEKTRYCZNY I SIŁA MAGNETYCZNA

Rozdział V WARSTWOWY MODEL ZNISZCZENIA POWŁOK W CZASIE PRZEMIANY WODA-LÓD. Wprowadzenie

Wykład 15. Reinhard Kulessa 1

Energia kinetyczna i praca. Energia potencjalna

Zjawisko indukcji. Magnetyzm materii.

Pole grawitacyjne. Definicje. Rodzaje pól. Rodzaje pól... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek.

GEOMETRIA PŁASZCZYZNY

WŁASNOŚCI CIAŁ STAŁYCH I CIECZY

Fizyka 2. Janusz Andrzejewski

Wykład 10. Reinhard Kulessa 1

Wstęp. Prawa zostały znalezione doświadczalnie. Zrozumienie faktu nastąpiło dopiero pod koniec XIX wieku.

Grzegorz Kornaś. Powtórka z fizyki

Energia kulombowska jądra atomowego

KRYTERIA OCENIANIA ODPOWIEDZI Próbna Matura z OPERONEM. Chemia Poziom rozszerzony

Nośniki swobodne w półprzewodnikach

Wyznaczanie profilu prędkości płynu w rurociągu o przekroju kołowym

Plan wykładu. Rodzaje pól

Jak mierzyć i jak liczyć efekty cieplne reakcji? Energia. Zdolność do wykonywania pracy lub produkowania ciepła

Jądra atomowe jako obiekty kwantowe. Wprowadzenie Potencjał jądrowy Spin i moment magnetyczny Stany energetyczne nukleonów w jądrze Prawo rozpadu

ROZWIAZANIA ZAGADNIEŃ PRZEPŁYWU FILTRACYJNEGO METODAMI ANALITYCZNYMI.

dr inż. Zbigniew Szklarski

Wykład: praca siły, pojęcie energii potencjalnej. Zasada zachowania energii.

Ćwiczenie 14. Maria Bełtowska-Brzezinska KINETYKA REAKCJI ENZYMATYCZNYCH

Jak policzyć pole magnetyczne? Istnieją dwie metody wyznaczenia pola magnetycznego: prawo Biot Savarta i prawo Ampera.

Wykład 3 Zjawiska transportu Dyfuzja w gazie, przewodnictwo cieplne, lepkość gazu, przewodnictwo elektryczne

Dyfuzyjny transport masy

Cieplne Maszyny Przepływowe. Temat 8 Ogólny opis konstrukcji promieniowych maszyn wirnikowych. Część I Podstawy teorii Cieplnych Maszyn Przepływowych.

WPROWADZENIE. Czym jest fizyka?

PRZEMIANA ENERGII ELEKTRYCZNEJ W CIELE STAŁYM

OCZYSZCZANIE POWIETRZA Z LOTNYCH ZWIĄZKÓW ORGANICZNYCH

Zadania treningowe na kolokwium

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA w elektronice

Uwagi: LABORATORIUM WYTRZYMAŁOŚCI MATERIAŁÓW. Ćwiczenie nr 16 MECHANIKA PĘKANIA. ZNORMALIZOWANY POMIAR ODPORNOŚCI MATERIAŁÓW NA PĘKANIE.

WYDZIAŁ FIZYKI, MATEMATYKI I INFORMATYKI POLITECHNIKI KRAKOWSKIEJ Instytut Fizyki LABORATORIUM PODSTAW ELEKTROTECHNIKI, ELEKTRONIKI I MIERNICTWA

Fizyka elektryczność i magnetyzm

dr inż. Zbigniew Szklarski

należą do grupy odbiorników energii elektrycznej idealne elementy rezystancyjne przekształcają energię prądu elektrycznego w ciepło

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

Badanie właściwości magnetyczne ciał stałych

Zastosowanie zasad dynamiki Newtona.

Wykład 11. Pompa ciepła - uzupełnienie II Zasada Termodynamiki Entropia w ujęciu termodynamicznym c.d. Entropia w ujęciu statystycznym

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

1. Ciało sztywne, na które nie działa moment siły pozostaje w spoczynku lub porusza się ruchem obrotowym jednostajnym.

Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze SIECI 2004 V Konferencja Naukowo-Techniczna

Elementarne przepływy potencjalne (ciąg dalszy)

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

BRYŁA SZTYWNA. Umowy. Aby uprościć rozważania w tym dziale będziemy przyjmować następujące umowy:

Magnetyzm. A. Sieradzki IF PWr. Pole magnetyczne ŁADUNEK ELEKTRYCZNY ŁADUNEK MAGNETYCZNY POLE ELEKTRYCZNE POLE MAGNETYCZNE

Pole magnetyczne prąd elektryczny

TERMODYNAMIKA PROCESOWA. Wykład V

Matematyka ubezpieczeń majątkowych r.

OSERWACJE POLA MAGNETYCZNEGO Pole magnetyczne wytwozone jest np. pzez magnes stały......a zauważyć je można np. obsewując zachowanie się opiłków żelaz

Fizyka statystyczna Fenomenologia przejść fazowych. P. F. Góra

GRAWITACJA. przyciągają się wzajemnie siłą proporcjonalną do iloczynu ich mas i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu ich odległości r.

m q κ (11.1) q ω (11.2) ω =,

Transport jonów: kryształy jonowe

Oddziaływania fundamentalne

Akrecja sferyczna. charakterystyczna odległość, na jakiej zmieniają się warunki. W typowej sytuacji:

7. Defekty samoistne Typy defektów Zdefektowanie samoistne w związkach stechiometrycznych

POLITECHNIKA WARSZAWSKA Wydział Budownictwa, Mechaniki i Petrochemii Instytut Inżynierii Mechanicznej

Fizyka 1 Wróbel Wojciech. w poprzednim odcinku

1. Podstawowe pojęcia mechaniki płynów

Opis kwantowy cząsteczki jest bardziej skomplikowany niż atomu. Hamiltonian przy zaniedbaniu oddziaływań związanych ze spinem ma następującą postać:

ROZWIĄZUJEMY PROBLEM RÓWNOWAŻNOŚCI MASY BEZWŁADNEJ I MASY GRAWITACYJNEJ.

cz.2 dr inż. Zbigniew Szklarski

Pęd, d zasada zac zasad a zac owan owan a p a p du Zgod Zg n od ie n ie z d r d u r g u im g pr p a r wem e N ew e tona ton :

STRUKTURA STOPÓW CHARAKTERYSTYKA FAZ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

29 Rozpraszanie na potencjale sferycznie symetrycznym - fale kuliste

Mechanika ogólna. Więzy z tarciem. Prawa tarcia statycznego Coulomba i Morena. Współczynnik tarcia. Tarcie statyczne i kinetyczne.

Wykład 1. Elementy rachunku prawdopodobieństwa. Przestrzeń probabilistyczna.

Transkrypt:

Podstawy dyfuzji http://home.agh.edu.pl/~gzesik

Definicja dyfuzji Dyfuzja: poces ozpzestzeniania się cząsteczek lub enegii w danym ośodku (np. w gazie, cieczy lub ciele stałym), będący konsekwencją chaotycznych zdezeń cząsteczek dyfundującej substancji między sobą i/lub z cząsteczkami otaczającego ją ośodka.

Znaczenie dyfuzji jest najczęściej spotykanym zjawiskiem fizycznym w natuze, waunkuje zachodzenie wielu istotnych pocesów w metalugii oaz ceamice (pzemiany fazowe, twozenie oztwoów stałych, spiekanie, obóbkę cieplno-chemiczną, utlenienie, homogenizację, sfeoidyzację i koagulację faz), istotny poces wykozystywany pzez mateię oŝywioną.

Pzykładowe zagadnienia inŝynieii mateiałowej, w któych dyfuzja odgywa podstawową olę 1. Pzewodnictwo jonowe. Domieszkowanie półpzewodników 3. Dyfuzja eakcyjna 4. Synteza w fazie stałej 5. Spiekanie, łączenie dyfuzyjne 6. Baiey temiczne 7. Baiey pzeciwko dyfuzji 8. Efekt Kikendalla: pzemieszczanie się ganicy między fazami wskutek nieównych szybkości dyfuzji óŝnych atomów wewnątz mateiału 9. Puple plague : powstawanie dziu w połączeniach spawanych, np. aluminium - złoto

Klasyfikacja dyfuzji W zaleŝności od stanu skupienia moŝna ozóŝnić: dyfuzję w stanie stałym, ciekłym gazowym W zaleŝności od dyfundujących atomów: dyfuzja chemiczna (heteodyfuzja) - jeśli następuje pzemieszczanie atomów danego piewiastka względem atomów osnowy, samodyfuzja - kiedy ozpatuje się uch atomów tego samego odzaju względem siebie. Dyfuzję atomów (jonów) w stanie stałym moŝna podzielić na: dyfuzję sieciową (w kyształach nie zawieających defektów liniowych i powiezchniowych), dyfuzję objętościową (w kyształach zawieających dyslokacje), dyfuzję wzdłuŝ dyslokacji (uową), dyfuzję po ganicach zian, dyfuzję powiezchniową (po swobodnej powiezchni kyształu).

Dyfuzja wzdłuŝ dóg łatwej dyfuzji Dyslokacja jako defekt liniowy wywołuje pole napęŝeń, co ułatwia pzemieszczanie się atomów. Tak np. dyslokacja kawędziowa powoduje pole ozciągające pod eksta płaszczyzną w wyniku czego twozy się obsza ozszezony zwany uą dyslokacyjną. Atomy dostające się do takiej "uy" mogą znacznie łatwiej pzenikać niŝ pzez sieć, co ułatwia dyfuzję. Dyslokacje jako dogi łatwej dyfuzji uaktywniają się w stosunkowo niskim zakesie tempeatu, gdyŝ w pobliŝu tempeatuy topnienia amplitudy dgań temicznych atomów są tak duŝe, iŝ efektywność oddziaływania dyslokacji jako ukieunkowanych defektów sieci zanika.

Dyfuzja po ganicach zian Ganice zian stanowią defekty powiezchniowe i powodują, Ŝe gęstość ułoŝenia atomów w ich obszaze jest mniejsza niŝ w sieci, co ułatwia pzeskoki atomów. Rola ganic zian jako dóg łatwej dyfuzji jest jednak uzaleŝniona od typu ganicy. Im większa jest enegia ganicy (a więc wysoki stopień atomowego niedopasowania), tym niŝsza jest enegia aktywacji dyfuzji i mniejszy współczynnik dyfuzji, czyli dyfuzja jest szybsza. Do ganic, któe są najbadziej efektywnymi dogami dyfuzji naleŝą ganice zian duŝego kąta, a najmniej ganice bliźniacze. Ganice zian uaktywniają się jako dogi łatwej dyfuzji w tempeatuach niŝszych od około 50-60% T top. Pzy wyŝszych tempeatuach szybkość dyfuzji po ganicach zian jest mniejsza od szybkości dyfuzji objętościowej.

Dyfuzja sieciowa Tempeatua Tammana: około 1/-/3 tempeatuy topnienia danego składnika. PowyŜej tempeatuy Tammanna dominującą olę odgywa dyfuzja sieciowa.

Czynniki wpływające na szybkość dyfuzji Tempeatua wiąŝe się z dganiami temicznymi atomów, któe dostaczają enegię konieczną do pzeskoku atomu z jednego węzła do dugiego. Szybkość dyfuzji wzasta ze wzostem tempeatuy. Gęstość defektów. W pzypadku dyslokacji i defektów punktowych szybkość dyfuzji wzasta z ich stęŝeniem. Wzost stęŝenia kompleksów defektowych obniŝa szybkość dyfuzji. Wzost ciśnienia całkowitego, o ile dotyczy atmosfey nie eagującej z danym mateiałem obniŝa szybkość dyfuzji i odgywa znacząca olę pzy duŝych ciśnieniach. W pzypadku wzostu ciśnienia utleniacza w atmosfeze otaczającej podukt eakcji utleniacza z metalem (tlenkiem, siaczkiem, itp.) moŝliwy jest zaówno wzost, jak i spadek szybkości dyfuzji. MoŜe teŝ ona pozostać na stałym poziomie.

Mechanizm dyfuzji Atomy w ciałach stałych są w ciągłym uchu, stale zmieniają swoje połoŝenia. Dyfuzja to stopniowa migacja atomów z jednego połoŝenia sieci kystalicznej w inne. Waunki pzeskoku atomu: a) wolne połoŝenie w sieci kystalicznej w sąsiedztwie atomu b) atom posiada wystaczającą enegię aktywacji Dgania atomów w sieci: kaŝdy atom dga z duŝą częstotliwością wokół swojego połoŝenia w sieci kystalicznej (w tempeatuze powyŝej zea bezwzględnego) w tym samym czasie nie wszystkie atomy dgają z ta samą częstotliwością i amplitudą atomy mają óŝną enegię ten sam atom moŝe mieć óŝną enegię w óŝnym czasie enegia wzasta waz z tempeatuą

Typy mechanizmów dyfuzji sieciowej mechanizm podwójnej wymiany mechanizm pieścieniowy mechanizm wakancyjny mechanizm elaksacyjny mechanizm międzywęzłowy posty mechanizm międzywęzłowy z wypieaniem: kolineany niekolineany mechanizm ezonansowy mechanizm spiętzenia mechanizm dyfuzji wstępującej

Schemat mechanizmu dyfuzji polegającej na pocesie podwójnej wymiany

Schemat mechanizmu dyfuzji polegającej na pocesie podwójnej wymiany

Schemat mechanizmu dyfuzji polegającej na pocesie podwójnej wymiany

Schemat mechanizmu dyfuzji polegającej na pocesie podwójnej wymiany

Schemat mechanizmu dyfuzji polegającej na pocesie podwójnej wymiany

Schemat mechanizmu dyfuzji polegającej na pocesie podwójnej wymiany

Schemat mechanizmu dyfuzji polegającej na pocesie podwójnej wymiany

Schemat mechanizmu dyfuzji pieścieniowej

Schemat mechanizmu dyfuzji pieścieniowej

Schemat mechanizmu dyfuzji pieścieniowej

Schemat mechanizmu dyfuzji pieścieniowej

Schemat mechanizmu dyfuzji pieścieniowej

Schemat mechanizmu dyfuzji pieścieniowej

Schemat mechanizmu dyfuzji wakancyjnej

Schemat mechanizmu dyfuzji wakancyjnej

Schemat mechanizmu dyfuzji wakancyjnej

Schemat mechanizmu dyfuzji wakancyjnej

Schemat mechanizmu dyfuzji wakancyjnej

Schemat mechanizmu dyfuzji wakancyjnej

Schemat elaksacyjnego mechanizmu dyfuzji

Schemat elaksacyjnego mechanizmu dyfuzji

Schemat elaksacyjnego mechanizmu dyfuzji

Schemat elaksacyjnego mechanizmu dyfuzji

Schemat elaksacyjnego mechanizmu dyfuzji

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant kolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant kolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant kolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant kolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant kolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant kolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant kolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant niekolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant niekolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant niekolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant niekolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant niekolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant niekolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji międzywęzłowej z wypieaniem - waiant niekolineany

Schemat mechanizmu dyfuzji ezonansowej - poszczególne etapy

Schemat mechanizmu dyfuzji według mechanizmu spiętzenia

Model mechanizmu dyfuzji wstępującej

Pawa dyfuzji (pawa Ficka) Poces dyfuzji opisują dwa pawa wypowadzone pzez Ficka. Ze względu na swój ogólny chaakte mają zastosowanie do dowolnego stanu skupienia mateii. I pawo Ficka podaje związek pomiędzy stumieniem dyfundującej substancji (tj. ilością pzepływającej substancji w jednostce czasu pzez jednostkową, postopadłą do tego stumienia powiezchnię), a gadientem jej stęŝenia. II pawo Ficka podaje związek pomiędzy lokalną szybkością zmian stęŝenia dyfundującej substancji, a gadientem jej stęŝenia.

Piewsze pawo Ficka j D c x gdzie: j stumień dyfundującego składnika w kieunku x, c stęŝenie składnika w płaszczyźnie pzepływu, δc/δx gadient stęŝenia dyfundującego składnika postopadły do płaszczyzny pzepływu D współczynnik dyfuzji [cm /s]

I pawo Ficka (makoskopowy model dyfuzji) W pzypadku nieskoelowanego uchu cząstek, ich szybkość (u) jest wpost popocjonalna do wielkości siły napędowej (F), gdzie współczynnik B, to uchliwość cząstek: u B F Siła napędowa jest ówna ujemnemu gadientowi potencjału pola, w któym odbywa się uch:,p StęŜenie, C F dp dx j c u dp c B dx Potencjał A zatem: dµ j c B dx j Odległość, x BkT dc dx Dla dyfuzji atomów w gadiencie potencjału chemicznego, µ: D dc dx PoniewaŜ: więc: enegia cieplna j µ µ dµ dx D dµ c u c B dx o + kt ln a µ kt B kt dlnc dx kt c o + kt ln c dc dx - elacja Nensta-Einsteina

I pawo Ficka (mikoskopowy model dyfuzji) A - pole powiezchni λ - odległość międzyatomowa f częstotliwość pzeskoków (f1/τ) n - liczba cząstek τ - czas pzeskoku n dc dx n c / n i + 1 n+1 λ n i A λ c n 1 c λ + n λ f 6 c D x dc dx A n n+ 1 n+ 1 n f 1 nn 6 A τ 1 nn+ 6 A τ ( n n ) n n+ 1 n / n+ 1 λ f λ f D 6 6A 1 ( c c ) n n+ 1 n / n+ 1 c n+ 1 c n 6 λ dc dx λ 6τ

Mikoskopowy model dyfuzji w pzestzeni n-wymiaowej 3D D 1D n / n+ 1 n / n + 1 1 6 n n cn cn 6τ c n 1 c λ + 1 n / n+ 1 dc dx + n dyfuzja sieciowa 1 nn+ 1 6 A τ λ f 6 D λ f 6 dc dx λ n / n+ 1 n / n + 1 1 4 n n cn cn 4τ c n 1 c λ + 1 n / n+ 1 dc dx + n dyfuzja powiezchniowa 1 nn+ 1 4 A τ λ f 4 D λ f 4 dc dx λ n / n+ 1 n / n + 1 dyfuzja wzdłuŝ stun, dyslokacji 1 1 nn nn+ 1 A τ cn cn τ c n 1 c λ + 1 n / n+ 1 dc dx + n λ f D λ f dc dx λ Uwaga: W/w wzoy nie oznaczają, Ŝe wsp. dyfuzji w pzestzeni 1D jest większy niŝ w 3D lub D

Centowanie egulanej sieci kystalicznej, a dyfuzja D λ f 6 W/w wzó wypowadzony został dla pzypadku dyfuzji w kysztale o egulanej pymitywnej sieci kystalicznej, w któej długość pzeskoku ówna jest stałej sieciowej. W pzypadku kyształów o sieci egulanej pzestzennie centowanej (BCC) oaz ściennie centowanej (FCC) długości pzeskoków są większe od stałej sieciowej i wynoszą odpowiednio: BCC: 3 λ D λ f 8 FCC: λ λ f D 1

Całkowita doga pzebyta pzez dyfundującą cząstkę λ f D 6 Częstość pzeskoków (f) jest ilością pzeskoków (p) na jednostkę czasu (t): p f t A zatem całkowita doga (λp) pzebyta pzez dyfundującą cząstkę w czasie t: λ p D 6Dt 6Dt λ p λp 6 t λ Pzykład 1. Międzywęzłowa złowa dyfuzja tlenu w metalicznym niobie (T 1073K) D 7 10-8 cm s -1 λ 1,65 10-8 cm λp 5,5 cm dla t 1 s Pzykład. Dyfuzja wakancji kationowych w tlenku niklu Ni 1-y O (T 1073K) D,45 10-9 cm s -1 λp 0,35 cm dla t 1 s λ 4, 10-8 cm Pzykład 3. Dyfuzja niklu w tlenku niklu Ni 1-y O (T 1073K; p(o ) 10 5 Pa) D 4,76 10-14 cm s -1 λ 4, 10-8 cm λp 6,8 10-6 cm dla t 1 s

Śednie pzemieszczenie się dyfundującej cząstki R p S p-1 S 3 S S 1 eśli pzeskoki są pzypadkowe i niezaleŝne od siebie, to efektywne pzesunięcie się atomu po n pzeskokach, R p, wynosi: + + + p 1 i i p 1 p S S... S S R k 1 p 1 i p 1 i k i p 1 i i p S S S R + + S p 1 i 1 i k 1 i + Uwagi: mylący zapis antypzemienność: watość wyazu wynosi 0 nawet dla małych watości p, np. dla p : a b b a 1 1 1 1 1 1 1 S S S S S S S S S S S S S S R + + + + + + Dla jednakowej długości pzeskoków, śednia kwadatowa pzemieszczenia, R p : 6Dt p R 6Dt p S R p p 1 i i p λ λ

Śednie pzemieszczenie się dyfundującej cząstki 3D D 1D D λ f 6 dyfuzja sieciowa D λ f 4 dyfuzja powiezchniowa dyfuzja wzdłuŝ stun, dyslokacji D λ f Częstość pzeskoków (f) jest ilością pzeskoków (p) na jednostkę czasu (t): p f t D λ p 6 t D λ p 4 t D λ p t R p p λ 6Dt R p p λ 4Dt R p p λ Dt Śednie pzemieszczenie moŝna pzedstawić, jako: a) sfeę o pomieniu R p, b) okąg o pomieniu R p, a) odcinek o długości R p, w obębie któej/któego znajdzie się statystyczna cząstka po czasie t.

Śednie pzemieszczenie się dyfundującej cząstki R p p λ 6Dt R p p λ 4Dt R p p λ Dt Pomimo, iŝ dyfuzja w większości pzypadków zachodzi w pzestzeni 3D, to jednak w wielu pocesach w sposób efektywny zachodzi jedynie w jednym kieunku: x R p Dt Pzykład 1. Międzywęzłowa dyfuzja tlenu w metalicznym niobie (T 1073K) D 7 10-8 cm s -1 λ 1,65 10-8 cm λp 5,5 cm dla t 1 s x 3,7 10-4 cm Pzykład. Dyfuzja wakancji kationowych w tlenku niklu Ni 1-y O (T 1073K) D,45 10-9 cm s -1 λp 0,35 cm dla t 1 s x 7 10 λ 4, 10-8 cm -5 cm Pzykład 3. Dyfuzja niklu w tlenku niklu Ni 1-y O (T 1073K; p(o ) 10 5 Pa) D 4,76 10-14 cm s -1 λ 4, 10-8 cm λp 6,8 10-6 cm dla t 1 s dla t 4 h x 3,1 10-7 cm x 9,1 10-5 cm

Pawa dyfuzji: II pawo Ficka II pawo Ficka opisuje pzebieg dyfuzji w czasie: Gdy D nie zaleŝy od połoŝenia:

Równanie ciągłości w pzestzeni 1D 1 x z y wpływ akumulacja + wypływ 1 y z t c x y z + y z t ( ) y z t ( ) c x y z 1 c 1 t x c D c x t x x dc dt d c D dx x c D x

V A znak t c i i i i z y x x,, + z y x x,, z y y x,,,, z z y x + y z Równanie ciągłości w pzestzeni 3D z y y x,, +,, z z y x y x z y x y x z x z y t c z z y x z z y x z y y x z y y x z y x x z y x x + + + + + + + +,,,,,,,,,,,,

z y x t c z z y x z z y x z y y x z y y x z y x x z y x x + + +,,,,,,,,,,,, z y x y x z x z y t c z z y x z z y x z y y x z y y x z y x x z y x x + + + + + + + +,,,,,,,,,,,, Równanie ciągłości w pzestzeni 3D, cd. z y x t z y x t c z y x x t c Dla geometii plananej (ukł. jednowymiaowy): Dla układu tójwymiaowego:

Równanie ciągłości w pzestzeni 3D 1 A 1A1 t At c V V A 1 W ogólnym pzypadku, dla większej liczby stumieni: c t i znak V i i A i

V A znak t c i i i i l l l t c + π π π 1 + 1 Równanie ciągłości dla geometii cylindycznej l + 1

t c + 1 ( ) t c Równanie ciągłości dla geometii cylindycznej, cd. ( ) t c 1 Dla geometii cylindycznej: t c

V A znak t c i i i i t c + 1 4 4 4 π π π Równanie ciągłości dla geometii sfeycznej + 1

t c + 1 ( ) t c Równanie ciągłości dla geometii sfeycznej, cd. ( ) t c 1 Dla geometii sfeycznej: t c

z y x t c z y x x t c Dla układu jednowymiaowego: Dla układu tójwymiaowego: + + z c y c x c D t c x c D t c Postacie II pawa Ficka pzy stałym współczynniku dyfuzji Dla geometii sfeycznej: t c t x Dla geometii cylindycznej: t c t x + c c D t c 1 + c c D t c

Typowe watości współczynników dyfuzji D λ 6 f w ogólności: λ - śednia doga swobodna, f - śednia częstotliwość Substancja D (cm s-1 ) D (m s-1 ) gazy ~ 1 ~ 10-4 ciecze ~10-5 ~10-9 c. stałe (wys. temp.) <10-10 <10-14

Współczynnik dyfuzji defektów (D d ) - mikoskopowy współczynnik dyfuzji D d α λ f α - współczynnik geometyczny, zaleŝny od stuktuy kyształu i mechanizmu dyfuzji f - częstość pzeskoków λ - doga, jaką pzebywa atom w wyniku pzeskoku z jednego połoŝenia w dugie Wzó Zenea na częstość pzeskoków defektów: f G χν exp R m S exp R m H exp RT χ - współczynnik pzejścia, okeślający pawdopodobieństwo pzeskoku atomu o odpowiednio duŝej enegii do kolejnego połoŝenia bez powotu do popzedniej pozycji (dla metali χ 1), v - współczynnik częstości (częstość Debye a), G m - zmiana entalpii swobodnej układu związana z pzeskokiem, S m i H m - odpowiednio zmiany entopii i entalpii tego pocesu. m

Współczynnik dyfuzji defektów (D d ) - mikoskopowy współczynnik dyfuzji, cd. D d α λ χ S ν exp R m H exp RT m ν m πλ H M H m entalpia aktywacji dyfuzji defektów M masa molowa metalu

Współczynnik dyfuzji własnej atomów - makoskopowy współczynnik dyfuzji własnej a d d n n D D lub n d i n a - odpowiednio liczba defektów i liczba atomów w połoŝeniach węzłowych na jednostkę objętości α λ a d n n f D y 1 y D D d d d d N D y D D węzłowych na jednostkę objętości Dla związków wykazujących odstępstwo od stechiometii, y, stęŝenie defektów dominujących jest w pzybliŝeniu ówne temu odstępstwu, zatem powyŝsze ównanie moŝna zapisać: dla y << 1

StęŜenie defektów, N d, w kyształach wykazujących odstępstwo od stechiometii: ζ S f Współczynnik dyfuzji własnej atomów - makoskopowy współczynnik dyfuzji własnej, cd. N, n współczynniki ζ p 1/n X d S exp n R H exp n RT i H f entopia i entalpia powstawania danego typu defektów Podstawiając powyŝszy wzó do ównania na współczynnik dyfuzji atomów D i stosując zaleŝność na współczynnik dyfuzji defektów D d otzymuje się ogólną zaleŝność na współczynnik dyfuzji własnej atomów w związkach wykazujących odstępstwo od stechiometii: D αν λ χ ζ p 1/n X exp n S f Z powyŝszego ównania wynika, Ŝe enegia aktywacji dyfuzji atomów w kysztale zaleŝy zaówno od enegii koniecznej do powstania okeślonego odzaju defektu, jak i od enegii koniecznej do jego migacji w peiodycznym polu sieci kystalicznej. f + S R m exp n f H f + H RT m

Współczynnik dyfuzji własnej atomów - makoskopowy współczynnik dyfuzji własnej, cd. ZaleŜność współczynnika dyfuzji od tempeatuy ma z eguły chaakte wykładniczy. Dla stałego ciśnienia utleniacza: D E D exp D 0 RT A zatem: D 0 α λ χ ν ζ exp n S f + R S m

Wpływ domieszkowania na współczynnik dyfuzji własnej atomów w tlenku wykazującym odstępstwo od stechiometii Uwaga: podane wzoy dotyczą związku, w któym jonowe defekty odzime są podwójnie zjonizowane Me 1-y X: D αν λ Me 1-y X-F X 3 : χ ζ p 1/6 X D αν λ exp χ ζ 1 3 S f + S R m exp 1 3 H f + H RT [ ] S H F exp m exp m Me R RT m Me 1-y X-F X: D 1 [ ' ] F Me αν λ χ ζ p 1/ X exp S f + S R m exp H f + H RT m

ZaleŜność szybkości dyfuzji od tempeatuy w kysztale domieszkowanym donoowo

ZaleŜność szybkości dyfuzji od tempeatuy w kysztale domieszkowanym akceptoowo E D H f + H m

Współczynnik dyfuzji chemicznej D i lim dc/dx 0 dc i i /dx c i gdzie: D i - współczynnik dyfuzji własnej i-tego elementu sieci (atomu, jonu lub defektu), i - stumień dyfuzji, c i - stęŝenie dyfundujących elementów, x - współzędna połoŝenia Stumień dyfuzji jest związany z gadientem stęŝeń dyfundujących składników piewszym pawem Ficka: gdzie: ~ δc D δx δc/δx - gadient stęŝenia defektów, ~ D - współczynnik dyfuzji chemicznej

Współczynniki dyfuzji stosowane do opisu właściwości tanspotowych tlenków metali pzejściowych D d współczynnik dyfuzji defektów [cm s -1 ]; opisuje uchliwość defektów ~ D w waunkach istnienia ównowagi temodynamicznej w tlenku współczynnik dyfuzji chemicznej [cm s -1 ]; opisuje uchliwość defektów w waunkach istnienia gadientu stęŝenia defektów, a więc w waunkach nieównowagowych w tlenku D Me współczynnik dyfuzji własnej [cm s -1 ]; opisuje uchliwość atomów (jonów) w tlenku

ZaleŜności pomiędzy współczynnikami dyfuzji Związek pomiędzy współczynnikiem dyfuzji chemicznej a współczynnikiem dyfuzji defektów podaje następująca zaleŝność: gdzie: 1 dlnp ~ x D Dd dlnnd n d to stęŝenie defektów, zaś óŝniczkę (d ln p x /d ln n d ) nazywa się w liteatuze współczynnikiem temodynamicznym Dla małych stęŝeń defektów powyŝsze ównanie spowadza się do postaci: ~ D ( 1+ p ) Dd gdzie: p - efektywny ładunek dominujących defektów

ZaleŜności pomiędzy współczynnikami dyfuzji, cd. Związek pomiędzy współczynnikiem dyfuzji chemicznej i współczynnikiem dyfuzji własnej atomów: ~ D ( 1+ p ) D 1 N d Związek pomiędzy współczynnikiem D t i współczynnikiem dyfuzji chemicznej: ~ D ( ) 1+ p 1 f D t N 1 d

Efekt koelacji W pzeciwieństwie od dyfuzji defektów, dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej metalu lub związku typu MX jest pocesem skoelowanym, któy zachodzi według mechanizmu wakancyjnego bądź teŝ według mechanizmu międzywęzłowego z wypieaniem.

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Dyfuzja własna pomieniotwóczego wskaźnika (tasea) w sieci kystalicznej

Efekt koelacji, c.d. Związek pomiędzy współczynnikami dyfuzji tasea i atomów maciezystych: gdzie: D t - współczynnik dyfuzji tasea, f - współczynnik koelacji D t D Manning wykazał, Ŝe współczynnik koelacji w pzypadku wakancyjnego mechanizmu dyfuzji moŝna obliczyć z dobym pzybliŝeniem w opaciu o następujące ównanie: f 1 1 gdzie: P - pawdopodobieństwo pzeskoku atomu tasea do sąsiedniej wakancji, (1 - P) - pawdopodobieństwo, Ŝe sąsiadująca z taseem wakancja oddali się w wyniku pzeskoków atomów maciezystych. f + P P

Tabela 1. Współczynniki koelacji dla óŝnych mechanizmów dyfuzji w odniesieniu do kilku stuktu kystalogaficznych Typ sieci kystalicznej Mechanizm dyfuzji Współczynnik koelacji Sieć diamentu wakancyjny 0,50000 Sieć egulana wakancyjny 0,65311 Sieć egulana pzestzennie centowana Sieć egulana płasko centowana Sieć heksagonalna (gęste upakowanie) wakancyjny 0,77 wakancyjny 0,78146 wakancyjny 0,7811 Sieć egulana posta Sieć egulana płasko centowana międzywęzłowy z wypieaniem a)typu kolineanego b)typu niekolineanego międzywęzłowy z wypieaniem a)typu kolineanego b)typu niekolineanego 0,80000 0,96970 0,66666 0,7740

KONIEC