intTypePromotion=3

Tiểu luận 3: Quá trình khuếch tán trong vật liệu kim loại và các định luật khuếch tán

Chia sẻ: Le Van Quan | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:6

0
284
lượt xem
70
download

Tiểu luận 3: Quá trình khuếch tán trong vật liệu kim loại và các định luật khuếch tán

Mô tả tài liệu
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đến với "Tiểu luận 3: Quá trình khuếch tán trong vật liệu kim loại và các định luật khuếch tán" các bạn sẽ được tìm hiểu về định luật khuếch tán; cơ chế khuếch tán;... Hy vọng tài liệu là nguồn thông tin hữu ích cho quá trình học tập và nghiên cứu của các bạn.

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tiểu luận 3: Quá trình khuếch tán trong vật liệu kim loại và các định luật khuếch tán

  1. TIỂU LUẬN 3: QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN TRONG VẬT LIỆU  KIM LOẠI VÀ CÁC ĐỊNH LUẬT KHUẾCH TÁN I. Định luật khuếch tán 1. Định luật Fick I và hệ số khuyếch tán Định luật FickI nêu lên quan hệ giữa dòng nguyên tử khuếch tán J qua một  đơn vị  bề  mặt vuông góc với phương khuếch tán và Gradient nồng độ  c/δx: dc J = ­D.  = ­Dgradc(1.1) dx Trong đó: ­ Dấu trừ chỉ dòng khuếch tán theo chiều giảm nồng độ ­ D hệ số khuếch tán ( cm2/s) Trong nhiều trường hợp: D = D0.exp(­Q/RT) D0: hằng số ( cm /s) 2 Q: hoạt năng khuếch tán  T: nhiệt độ khuếch tán (K) R: hằng số khí ( R=1,98cal/mol) Từ những trị số D0 và Q có thể xác định hệ số khuyếch tán D ở nhiệt độ  bất kỳ và đặc điểm của quá trình khuếch tán Trên hình 1.1 biểu diễn sự phụ thuộc hệ số khuếch tán khác loại của  Cu  trong Al trong hệ trục lgD ≈ 1/T D1 cm²/s ­5 10 ­11 10 ­16 10 ­21 10 100 200 300 500 1000 °C
  2. Hình 1.1 Hệ số khuếch tán của Cu  trong Al phụ thuộc và nhiệt độ Bảng1.1 Số liệu thực nghiệm D0 và Q Chất  Vùng  Q,  D ở nhiệt độ, cm2/s Trong dung  D0,  khuếc nhiệt độ,  Kcal/mo môi 0 cm2/s 5000C 2000C h tán C l Al Al 450 ÷ 650 1,71 34,0 4,5.10­10 ­ Zn Cu ­ 0,34 45,5 1,5.10­13 ­ Fe α – Fe 700÷750 2,00 60,6 8,0.10­18 ­ C α – Fe 500÷750 0,20 24,6 2,8.10­8 ­ ­2 N α – Fe ­ 3.10 18,2 9,0.10­9 ­ ­4 N Cr ­ 3.10 24,4 4,0.10­11 ­ ­8 B Fe40N40B20 ­ 1,1.10 82,8 3,0.10­15 ­ ­6 Ag Pd81Si19 ­ 2,0.10 29,9 1,2.10­13 ­ Na+ NaCl 350÷750 0,5 38,0 2,8.10­11 ­ Cl­ NaCl ­ 1,1.10 2 51,4 1,7.10­13 ­ Ag+ AgBr ­ 1,2 16,0 ­ 1,8.10­12 Ag+ GaAs 500÷1000 2,5.10 ­3 9,0 5,0.10­6 1,2.10­10 O2 Polyetylen ­ 2,09 12,2 ­ 1,8.10­9 H2 Cao su tự  ­ 0,26 6,0 ­ 1,0.10­7 nhiên Ở trạng thái rắn ( nhiệt độ 
  3. c c 2  = D. 2 = D c  (1.2) t x  Nghiệm của phương trình trên trong trường hợp khuếch tán một chất  có nồng độ cs trên bề  mặt vào bên trong mẫu với nồng độ  ban đầu c0  (cs>c0) có dạng: x  C(x,t) = cs – (cs – c0 ) erf( ) (1.3) 2 D.t x x  Trong đó erf( ) là hàm sai của đại lượng     được tính sẵn  D.t 2 D.t trong sổ tay toán học. x  Từ  biểu thức (1.3) thấy rằng c(x,t) tỷ  lệ  với   . Nếu cs  và c0  là  2 D.t hằng số có nghĩa là chiều sâu x lớp khuếch tán với nồng độ  c nào đó   tỷ lệ thuận với  D.t II. Cơ chế khuếch tán Cơ  chế  khuếch tán giải  thích trị  số  D0  và Q    tìm hiểu qúa  trình dịch  chuyển nguyên tử ( ion, phân tử ) trong những vật liệu khác nhau. 1. Trong dung dich thay thế Các   nguyên   tử   khuếch   tán   theo   cơ   chế   nút   trống,   tức   nguyên   tử   dịch  chuyển   đến nút trống bên cạnh. Để  bước dịch chuyển như  vậy được   thực hiện được cần có hai điều kiện sau: ­ Nguyên tử  có hoạt năng Gvm  đủ  để  phá vỡ  liên kết với những  nguyên tử bên cạnh, nới rộng khoảng cách hai nguyên tử ở giữa nút trống  và nguyên tử dịch chuyển ( nguyên tử  1 và 2 trên hình vẽ  1.2). Số  lượng   nguyên tử có hoạt năng như vậy tỷ lệ với exp(­ΔGvm/kT) ­ Có nút trống nằm cạnh nguyên tử: nồng độ  nút trống tỷ  lệ  với   exp(­ΔGvf/kT) trong đó ΔGvf là năng lượng tạo nút trống, tức năng lượng  cần tách nguyên tử khỏi nút mạng trong hoàn chỉnh, năng lượng này tỷ lệ  với nhiệt hoá năng Như  vậy khả  năng khuếch tán phụ  thuộc vào xác suất của hai quá trình   trênvà hệ số khuếch tán có thể viết dưới dạng: D = const.exp(­ΔGvf/kT).exp(­ΔGvm/kT) (1.4) Nếu tính đến quan hệ G = H – TS  Trong đó:  H là entanpi S là entropi Khi đó biểu thức (1.2)  của D, có thể xác định Q và D0: Q = ΔHmv + ΔHvf;  (1.5) 0 0 D0 = const.exp[(ΔS f +  ΔS m)/k] (1.6)
  4. Bằng cách so sánh Q và tổng ΔHmv + ΔHvf có thể dự đoán được sự có mặt  của cơ chế  nút trống trong vật liệu cụ thể. Trong nhiều kim loại ΔHmv +  ΔHvf = 1 ÷ 3eV/nguyên tử và (ΔS0f +  ΔS0m)/k =2 từ đó D0 = 0,1 ÷ 10 cm2/s Hoạt năng khuếch tán Q liên quan đến năng lượng tách và dịch chuyển  nguyên tử khỏi nút mạng do đó: Q ≈ Lnc ≈ Tnc Như vậy tại nhiệt đã cho, vật liệu có Tnc càng lớn thì Q càng lớn và D  càng nhỏ. Khả năng tạo nút trống cạnh nguyên tử khác loại và cạnh  nguyên tử dung môi là khác nhau. Do vậy hệ số khuếch tán của nguyên tử  khác loại khác với hệ số khuếch tán của nguyên tử dung môi. Tuy nhiên  trong nhiều trường hợp sự khác nhau này không quá 15% đối với Q và  gấp đôi với D0 A Năng lượng ∆Gvm lượng Năng  ∆Gim A X L B 1 2 3 Hình:1.2 Mô hình khuếch tán theo cơ chế nút trống (a)  và cơ chế giữa nút mạng (b) Bên dưới là thay đổi đường cong năng lượng phụ thuộc vào vị trí 2. Trong dung dich xen kẽ Các nguyên tử hoà tan theo nguyên lý xen kẽ thường có đường kính nhỏ  có thể dịch chuyển từ vị trí lỗ hổng ( giữa các nút mạng) sang lỗ hổng  khác. Đó là khuếch tán theo cơ chế giữa nút mạng Để chuyển đến lỗ hổng bên cạnh các nguyên tử xen kẽ  phải vượt được  thế năng ΔGim ( Hình 1.2b). Bên cạnh các nguyên tử xen kẽ luôn luôn có lỗ  hổng và lượng các  lỗ hổng trong mạng là xác định và nhiều hơn nguyên  tử xen kẽ nên “ nồng độ” lỗ hổng không ảnh hưởng đến hệ số khuếch  tán. Trong trường hợp này:
  5. D = const.exp(ΔSim/k).exp(ΔHim/kT) (1.7) Như vậy: D0 = const.exp(ΔSim/k) (1.8) Q và D0 có trị số nhỏ hơn so với cơ chế nút trống. Q phụ thuộc chủ yếu  và kích thước nguyên tử xen kẽ và mật độ xếp chặt của kim loại nền Ví dụ: D của cacbon trong α – Fe là 1,7.10­6 cm2/s ở 800 0C ; γ – Fe là  6,7.10­7 cm2/s ở 1000 0C 3. Trong tinh thể với liên kết ion hoặc đồng hoá trị Trong tinh thể hợp chất ion( ví dụ NaCl) nếu khuyết tật Schottky (nút  trống) là đáng kể thì nút trống khuếch tán theo cơ chế nút trống. Trong đó  cation (Na+) khuếch tán nhanh hơn anion (Cl­) vì cation có kích thước nhỏ  hơn. Trong tinh thể ion khi nồng độ khuyết tật Frenkel ( nút trống và nguyên tử  xen kẽ) là đáng kể (ví dụ AgBr) cation xen kẽ ( Ag+) khuếch tán theo cơ  chế giữa nút mạng không trực tiếp ( cơ chế đuổi ) : nguyên tử xen kẽ  đuổi nguyên tử cạnh nó từ vị trí nút mạng đến lỗ hổng, entanpi chuyển  chỗ như vậy nhỏ hơn entanpy chuyển chỗ của nút trống. Nếu trong tinh thể ion có chứa các tạp chất khác hoá trị thì để trung hoà  điện tích, các nút trống cation được tạo thêm và do đó làm tăng hệ số  khuếch tán D. Trong tinh thể với liên kết đồng hoá trị qúa trình khuếch tán của những  nguyên tử thành phần và các nguyên tử thay thế là rất chậm vì nó phải phá  vỡ liên kết rất bền trong mạng và khuếch tán theo cơ chế nút trống.  Những nguyên tử xen kẽ khuếch tán theo cơ chế giữa nút mạng 4. Trong vật liệu kim loại vô định hình Trong vật liệu này không có sự khác nhau đáng kể giữa nút trống và lỗ  hổng và không có tính chu kỳ của vị trí nguyên tử. Nồng độ khuyết tật rất  lớn và kém ổn định, do đó chúng dễ kết hợp với nhau hoặc với nguyên tử  hoà tan. Có thể tồn tại các cơ chế khuếch tán sau : ­ Các loại nguyên tử kích thước nhỏ khuếch tán theo cơ chế giữa các nút  mạng : Q có giá trị nhỏ. Khi đường kính nguyên tử và nguyên tử lượng  càng nhỏ thì hệ số khuếch tán D càng lớn. ­ Một số nguyên tử như Au, Pt, Pb … và những hợp phức của nó khuếch  tán theo cơ chế giữa nút mạng trong lỗ hổng lớn. Q phụ thuộc và năng  lượng liên kết của những hợp phức đó và có trị số  1 ÷ 3 eV/nguyên tử. ­ Trong một số trường hợp khuếch tán xảy ra theo cơ chế chuyển chỗ tập  thể của một nhóm nguyên tử Hệ số khuếch tán D có giá trị trung gian giữa cơ chế nút trống và cơ chế 
  6. giữa nút mạng. 5 .Trong vật liệu Polyme Trong vật liệu cao phân tử ở trạng thái rắn gần như không có chuyển chỗ  (khuếch tán ) vì phải giữ cố định góc định vị ít ra với hai cao phân tử bên  cạnh. Tuy nhiên một mạch cao phân tử có thể chuyển động cùng với  những mạch cấu trúc bên cạnh, hiện tượng này gọi là khuếch tán liên kết.  Nó chỉ xảy ra ở gần nhiệt độ nóng chảy Những phân tử nhỏ như H2, O2, H2O … có thể dịch chuyển trong cao phân  tử ở trạng thái rắn. Những phân tử nhỏ này chiếm vị trí giữa các  phân tử.  Nếu mạch phân tử có vi chuyển động ngẫu nhiên thì những phân tử nhỏ  phía ngoài có thể đổi chỗ với những nhánh cao phân tử đó.Khuếch tán  trong Polyme ảnh hưởng đến nhiệt độ thuỷ tinh hoá, nhiệt độ hoá dẻo và  nhiệt độ nóng chảy của Polyme. Động học nhuộm màu của Polyme cũng  khống chế bởi quá trình khuếch tán.

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

Đồng bộ tài khoản