第8章扩散精选PPT.ppt
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1、第8章 扩散第1页,本讲稿共51页学习要求学习要求:1.了解扩散的机理了解扩散的机理;2.区分稳定扩散和非稳定扩散区分稳定扩散和非稳定扩散;3.写出菲克第一定律和第二定律的表达式写出菲克第一定律和第二定律的表达式,并说明其应用范围并说明其应用范围;4.了解影响扩散的因素了解影响扩散的因素.第2页,本讲稿共51页9.1 概述概述9.1.1 扩散的概念扩散的概念9.1.2 研究扩散的意义研究扩散的意义第3页,本讲稿共51页1.1.1 扩散的概念扩散的概念物质的粒子(原子、离子、电子等)由于热力学的影响,自发的物质的粒子(原子、离子、电子等)由于热力学的影响,自发的进行迁移以达平衡,这种现象称作进行
2、迁移以达平衡,这种现象称作扩散扩散。第4页,本讲稿共51页1.1.2 研究扩散的意义研究扩散的意义 The process of diffusion is central to a large number of todays important technologies.In materials processing technologies,control over the diffusion of atoms,ions,molecules,or other species is key.There are hundreds of applications and technologies
3、 that depend on either enhancing or limiting diffusion.第5页,本讲稿共51页Diffusion has a significant effect on the evolution of microstructure during the solidification of alloys,the heat treatment of metals and alloys,and the processing of ceramic materials.第6页,本讲稿共51页Dopant Diffusion for Semiconductor De
4、vices The entire microelectronics industry,as we know it today,would not exist if we did not have a good understanding of the diffusion of different atoms into silicon or other semiconductors.第7页,本讲稿共51页Conductive CeramicsDiffusion of ions,electrons,or holes also plays an important role in the elect
5、rical conductivity of many conductive ceramics,such as partially or fully stabilized zirconia(ZrO2)or indium tin oxide(also commonly known as ITO).Lithium cobalt oxide(LiCoO2)is an example of an ionically conductive material that is used in lithium ion batteries.These ionically conductive materials
6、are used for such products as oxygen sensors in cars,touch-screen displays,fuel cells,and batteries.第8页,本讲稿共51页Oxidation of AluminumAluminum does not“rust”.In reality,aluminum oxidizes(rusts)more easily than iron.However,the aluminum oxide(Al2O3)forms a very protective but thin coating on the alumin
7、ums surface preventing any further diffusion of oxygen and hindering further oxidation of the underlying aluminum.The oxide coating does not have a color and is thin and,hence,invisible.第9页,本讲稿共51页离子晶体的导电;离子晶体的导电;固溶体的形成;固溶体的形成;相变过程;相变过程;固相反应;固相反应;烧结;烧结;金属材料的涂搪或陶瓷材料的封接;金属材料的涂搪或陶瓷材料的封接;耐火材料的侵蚀性;耐火材料的侵
8、蚀性;等等。等等。研研究究固固体体中中扩扩散散的的基基本本规规律律对对认认识识材材料料的的性性质质、制制备备、和和生生产具有一定性能的固体材料产具有一定性能的固体材料均有十分重大的意义。均有十分重大的意义。Other examples:第10页,本讲稿共51页9.2 扩散的宏观规律扩散的宏观规律9.2.1 扩散的动力学方程扩散的动力学方程9.2.2 在无限物体情况下扩散方程的通解在无限物体情况下扩散方程的通解9.2.3 扩散动力学方程的应用举例扩散动力学方程的应用举例第11页,本讲稿共51页9.2.1 扩散的动力学方程扩散的动力学方程在在微微观观上上,流流体体或或固固体体介介质质中中,由由于于
9、其其本本身身结结构构的的不不同同而而使使质质点点的的扩扩散散行行为为彼彼此此存存在在较较大大的的差差异异。但但从从宏宏观观统统计计的的角度看,介质中质点的扩散行为都遵循着角度看,介质中质点的扩散行为都遵循着相同的统计规律相同的统计规律。1855年年德德国国物物理理学学家家A.菲菲克克(Adolf Fick)于于大大量量扩扩散散现现象象的的研研究究基基础础上上,首首先先对对这这种种质质点点的的扩扩散散过过程程作作出出了了定量描述,提出了定量描述,提出了浓度场浓度场下扩散的动力学方程。下扩散的动力学方程。第12页,本讲稿共51页在扩散体系中,参与扩散质点的浓度因在扩散体系中,参与扩散质点的浓度因位
10、置位置而异,且可而异,且可随随时间时间而变化。而变化。即即浓度浓度c是位置坐标是位置坐标x、y、z和时间和时间t的函数的函数。9.2.1.1 菲克第一定律菲克第一定律第13页,本讲稿共51页在扩散过程中,单位时间内通过单位横截面的质点数目(或称在扩散过程中,单位时间内通过单位横截面的质点数目(或称扩扩散流强度散流强度)J正比于扩散质点的浓度梯度正比于扩散质点的浓度梯度:J-扩散流强度扩散流强度(the flux)D-扩散系数扩散系数(the diffusivity or diffusion coefficient)-浓度梯度浓度梯度(the concentration gradient)第14
11、页,本讲稿共51页Note:菲克第一定律菲克第一定律是质点扩散定量描述的基本方程。是质点扩散定量描述的基本方程。它可以直接用于求解它可以直接用于求解质点浓度分布不随时间变化的稳质点浓度分布不随时间变化的稳定扩散定扩散问题问题;同时又是同时又是不稳定扩散(质点浓度分布随时间变化)动不稳定扩散(质点浓度分布随时间变化)动力学方程力学方程建立的基础。建立的基础。第15页,本讲稿共51页9.2.1.2 菲克第二定律菲克第二定律第二定律研究的是第二定律研究的是不稳定扩散不稳定扩散的问题。的问题。第16页,本讲稿共51页第17页,本讲稿共51页9.2.2 在无限物体情况下扩散方程的通解在无限物体情况下扩散
12、方程的通解偏微分方程:偏微分方程:初始条件:初始条件:通通 解:解:无界空间,无边界条件。无界空间,无边界条件。边界条件:边界条件:第18页,本讲稿共51页9.2.3 扩散动力学方程的应用举例扩散动力学方程的应用举例 在在实实际际固固体体材材料料的的研研制制生生产产过过程程中中,经经常常会会遇遇到到众众多多与与原原子子或或离离子子扩扩散散有有关关的的实实际际问问题题。因因此此,求求解解不不同同边边界界条条件件的的扩扩散散动动力力学学方方程程式式往往往往是是解解决这类问题的基本途径。决这类问题的基本途径。第19页,本讲稿共51页diffusion稳定扩散稳定扩散不稳定扩散不稳定扩散指指那那些些在
13、在所所研研究究的的扩扩散散过过程程中中,扩扩散散物物质质的的浓浓度度不不随随时时间间变变化化的扩散过程。的扩散过程。Ficks second lawFicks first law指扩散物质浓度随时指扩散物质浓度随时间变化的一类扩散。间变化的一类扩散。第20页,本讲稿共51页9.2.3.1 稳定扩散稳定扩散考虑一高压氧气球罐的考虑一高压氧气球罐的氧气泄露氧气泄露问题。问题。设氧气球罐内、外直径设氧气球罐内、外直径分别为分别为r1和和r2,罐中氧,罐中氧气压力为气压力为P1,罐外氧气,罐外氧气压力为大气中氧分压压力为大气中氧分压P2。第21页,本讲稿共51页 由由于于氧氧气气泄泄露露量量极极微微,
14、故故可可认认为为P1不不随随时时间间变变化化。因因此此当当达达到到稳稳定定状状态态时时氧氧气气将将以以一一恒恒定定速速率率泄露。泄露。由由扩散第一定律扩散第一定律知,单位时间内氧气泄露量:知,单位时间内氧气泄露量:第22页,本讲稿共51页例例:设有以直径为设有以直径为3cm的厚壁管道,被厚度为的厚壁管道,被厚度为0.001cm的铁膜片隔开,的铁膜片隔开,在膜片的一边,在膜片的一边,每立方厘米中含有每立方厘米中含有51019个个N原子,该气体不断原子,该气体不断地通过管道。在膜片另一边的气体中,每立方厘米中含有地通过管道。在膜片另一边的气体中,每立方厘米中含有11018个个N原子。如果氮在铁中的
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