第七章 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)濃度隨時間變化；穩(wěn)定擴(kuò)散：擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)濃度分布不隨時間變化。無序擴(kuò)散：無化學(xué)位梯度、濃度梯度、無外場推動力，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，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，Di>0。逆擴(kuò)散：當(dāng)熱力學(xué)因子 時，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，Di<0。2、 簡

2、述固體內(nèi)粒子的遷移方式有幾種?答 易位，環(huán)轉(zhuǎn)位，空位擴(kuò)散，間隙擴(kuò)散，推填式。3、 說明影響擴(kuò)散的因素？化學(xué)鍵：共價鍵方向性限制不利間隙擴(kuò)散，空位擴(kuò)散為主。金屬鍵離子鍵以空位擴(kuò)散為主，間隙離子較小時以間隙擴(kuò)散為主。 缺陷：缺陷部位會成為質(zhì)點(diǎn)擴(kuò)散的快速通道，有利擴(kuò)散。溫度：D=D0exp（-Q/RT）Q不變，溫度升高擴(kuò)散系數(shù)增大有利擴(kuò)散。Q越大溫度變化對擴(kuò)散系數(shù)越敏感。 雜質(zhì)：雜質(zhì)與介質(zhì)形成化合物降低擴(kuò)散速度；雜質(zhì)與空位締合有利擴(kuò)散；雜質(zhì)含量大本征擴(kuò)散和非本征擴(kuò)散的溫度轉(zhuǎn)折點(diǎn)升高。擴(kuò)散物質(zhì)的性質(zhì)：擴(kuò)散質(zhì)點(diǎn)和介質(zhì)的性質(zhì)差異大利于擴(kuò)散；擴(kuò)散介質(zhì)的結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)緊密不利擴(kuò)散。4、 在KCl晶體中摻入10-5

3、mo1CaCl2，低溫時KCl中的K+離子擴(kuò)散以非本征擴(kuò)散為主，試回答在多高溫度以上，K+離子擴(kuò)散以熱缺陷控制的本征擴(kuò)散為主？（KCl的肖特基缺陷形成能Hs=251kJ/mol，R=8.314J/mo1·K）解：在KCl晶體中摻入10-5mo1CaCl2，缺陷方程為：則摻雜引起的空位濃度為 欲使擴(kuò)散以熱缺陷為主，則即即 解得T>936.5K5、 （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lnDl/T曲線，并分析在哪個溫度范圍內(nèi)，晶界擴(kuò)散超過體積擴(kuò)散？解：（1）晶體中質(zhì)點(diǎn)的遷

4、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)從一個間隙位置遷移到另一個間隙位置；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)：，晶界擴(kuò)散有：，體積擴(kuò)散有：，欲使，即>，則，移項(xiàng)得或，令，則當(dāng)時，以晶界擴(kuò)散為主，；當(dāng)時，以體積擴(kuò)散為主，。6、 MoO3和CaCO3反應(yīng)時，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，反應(yīng)由擴(kuò)

5、散控制。當(dāng)MoO3：CaCO3 1 : 15； r CaCO3 <0.03mm時，反應(yīng)由MoO3升華控制，試解釋這種現(xiàn)象。答：當(dāng)CaCO3 : MoO3由1:1升高到15:1以及CaCO3顆粒逐漸變細(xì)后，MoO3升華到CaCO3表面反應(yīng)所生成的產(chǎn)物擴(kuò)散層很薄，故擴(kuò)散極為迅速。因此整個反應(yīng)的速度將由MoO3升華到CaCO3表面的速度決定。反應(yīng)的動力學(xué)過程由如下方程描述：。7、 濃度差會引起擴(kuò)散，擴(kuò)散是否總是從高濃度處向低濃度處進(jìn)行?為什么?解：擴(kuò)散的基本推動力是化學(xué)位梯度，只不過在一般情況下以濃度梯度的方式表現(xiàn)出來；擴(kuò)散是從高化學(xué)位處流向低化學(xué)位處，最終系統(tǒng)各處的化學(xué)位相等。如果低濃度處化

6、學(xué)勢高，則可進(jìn)行負(fù)擴(kuò)散，如玻璃的分相過程。8、 當(dāng)鋅向銅內(nèi)擴(kuò)散時，已知在x點(diǎn)處鋅的含量為2.5×1017個鋅原子/cm3， 300時每分鐘每mm2要擴(kuò)散60個鋅原子，求與x點(diǎn)相距2mm處鋅原子的濃度。（已知鋅在銅內(nèi)的擴(kuò)散體系中D0=0.34×10-14m2s；Q=18.5kJmol）解：看成一維穩(wěn)定擴(kuò)散，根據(jù)菲克第一定律：，,Cx=2.5×1017個/cm3，x-x2=2mm，Jx=60個/60Smm2，擴(kuò)散系數(shù)宏觀表達(dá)式 ，D0=0.34×10-14m2/s，Q=1.85×104J/mol，R=8.314J/mol·K，T=300+

7、273=573K，D=0.34×10-14exp（-3.88）=0.34×10-14×0.02=6.8×10-17m2/s，Cx=2.5×1017/10-6=2.5×1023，C2=cx-2.94×1019=2.5×10239、在鋼棒的表面，每20個鐵的晶胞中含有一個碳原子，在離表面1mm處每30個鐵的晶胞中含有一個碳原子，知鐵為面心立方結(jié)構(gòu)（a=0.365nm）,1000 時碳的擴(kuò)散系數(shù)為3×10-1m2s，求每分鐘內(nèi)因擴(kuò)散通過單位晶胞的碳原子數(shù)是多少?解：dx=1mm=10-3m，a=3.65

8、5;10-10m，VFe=a3，20個Fe的晶胞體積：20a3m3，30個Fe的晶胞體積：30a3m3， 濃度差：，J=1.02×1019個/S·m2，1個晶胞面積a2， n=Jx×60×a2=82個。10、在恒定源條件下820時，鋼經(jīng)1小時的滲碳，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小時?解：根據(jù)恒定源擴(kuò)散深度，所以要得到兩倍厚度的滲碳層，需4h。11、在不穩(wěn)定擴(kuò)散條件下 800時，在鋼中滲碳100分鐘可得到合適厚度的滲碳層，若在1000時要得到同樣厚度的滲碳層，需要多少時間（D0=2.4×10-12m2

9、sec；D1000 =3×10-11m2sec）?解：不穩(wěn)定擴(kuò)散中恒定源擴(kuò)散問題，已知x不變，x1=x2，D1t1=D2t2 ，已知D1，D2，t1，則可求t2=480s。12、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，問需要多長時間（已知D1600 =8×10-12cm2/sec）？解：不穩(wěn)定擴(kuò)散恒定源半無限擴(kuò)散，已知，已知x=10-3cm，D，求解t=1.25×105s=34.7h。13、Zn2+在ZnS中擴(kuò)散時，563時的擴(kuò)散系數(shù)為

10、3×10-14cm2/sec；450 時的擴(kuò)散系數(shù)為1.0×10-14cm2/sec ，求：（1）擴(kuò)散的活化能和D0；（2）750 時的擴(kuò)散系數(shù)。 解：（1）D=D0exp（-Q/RT）T=563+273=836K時，D=3×10-14cm2/sT=450+273=723K時，D=1.0×10-14cm2/s代入上式可求 Q=48875J，D0=3.39×10-15cm2/s（2）略。14、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=1.00×10-4

11、exp（-38200/T），是求晶界擴(kuò)散系數(shù)和體積擴(kuò)散系數(shù)分別在什么溫度范圍內(nèi)占優(yōu)勢？ 解：晶界擴(kuò)散 Dgb=2.002×10-10exp（-19100/T）,體擴(kuò)散 DV=1.00×10-4exp（-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；計算有T=1455.6K Dgb= DV，T>1455.6K時，Dgb<DV，高溫時，體積擴(kuò)散占優(yōu)；T<1455.6K時，Dgb> DV，低溫時，晶界擴(kuò)散占優(yōu)。15、假定碳在-Fe（體心立方）和-Fe（面心立方）

12、中的擴(kuò)散系數(shù)分別為： D=0.0079exp-83600（J/mol）/RTcm2/sec ；D=0.21exp-141284（J/mol）/RTcm2/sec，計算 800時各自的擴(kuò)散系數(shù)并解釋其差別。解：T=800+273=1073K時，D=0.0079exp（-83600/RT）=6.77×10-7cm2/s，D=0.21exp（-141284/RT）=2.1×10-8 cm2/s，D> D，擴(kuò)散介質(zhì)結(jié)構(gòu)對擴(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；-Fe 體心立方，-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