Bài giảng Cơ sở vật liệu học - Chương 1: Khuếch tán và chuyển pha trong vật liệu - Nguyễn Quốc Tuấn
Chương I KHUẾCH TÁ N VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU
1.1 Khuếch tá n trong vật liệu
Khuếch tá n là sự chuyển chỗ ngẫu nhiên của cá c nguyên
tử ( ion, phâ n tử) do dao động nhiệt
- Khuếch tá n của nguyên tử A trong chí nh nền loại nguyên
tử đó (A) gọi là tự khuyếch tá n.
- Khuếch tá n của nguyên tử khá c loại B với nồng độ nhỏ
trong nền A gọi là khuếch tá n khá c loại . Điều kiện để có
khuếch tá n khá c loại là B phải hoà tan trong A.
1
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
Chương I KHUẾCH TÁ N VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU
Ứng dụng khuếch tán
- Khuyếch tá n có vai trò quan trọng trong nhiều quá
trì nh cô ng nghệ chế tạo vật liệu như kết tinh, thiêu kết,
tạo lớp bá n dẫn p – n, …
- Trong cô ng nghệ xử lý nhiệt như ủ đồng đều thành
phần, ủ kết tinh lại, chuyển pha khi nung và làm nguội
chậm, hoá già, hoá nhiệt luyện … và trong sử dụng
vật liệu: quá trì nh ô xy hoá , dã o …
2
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
Chương I KHUẾCH TÁ N VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU
1.2 Định luật khuếch tá n
1.2.1 Định luật Fick I và hệ số khuyếch tá n
- Định luật FickI nêu lên quan hệ giữa dò ng nguyên tử
khuếch tá n J qua một đơn vị bề mặt vuô ng gó c với
phương khuếch tá n và Gradient nồng độ δc/δx:
dc
J = -D.
= -Dgradc(1.1)
dx
Trong đó:
- Dấu trừ chỉ dò ng khuếch tá n theo chiều giảm nồng độ
- D hệ số khuếch tá n ( cm2/s)
3
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
Chương I KHUẾCH TÁ N VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU
Trong nhiều trường hợp:
D = D0.exp(-Q/KT)
D0: hằng số ( cm2/s)
Q: hoạt năng khuếch tá n
T: nhiệt độ khuếch tá n (K)
K: hằng số khí ( K=1,98cal/mol)
Từ những trị số D0 và Q có thể xá c định hệ số
khuyếch tá n D ở nhiệt độ bất kỳ và đặc điểm của quá
trì nh khuếch tá n
4
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
D1
cm²/s
-5
10
-11
10
-16
10
-21
10
Trên hình 1.1 biểu diễn sự phụ thuộc
hệ số khuếch tán khácloại của Cu trong
Al trong hệ trục lgD ≈ 1/T
100 200 300
1000 °C
500
5
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
Bảng1.1 Số liệu thực nghiệm D0 và Q
Vùng nhiệt độ, 0C
D ở nhiệt độ, cm2/s
Chất khuếch tán
Trong dung môi
D0, cm2/s
Q, Kcal/mol
5000C
2000C
Al
Zn
Fe
Al
Cu
450 ÷ 650
1,71
0,34
34,0
45,5
60,6
24,6
18,2
24,4
82,8
29,9
38,0
51,4
16,0
9,0
4,5.10-10
1,5.10-13
8,0.10-18
2,8.10-8
9,0.10-9
4,0.10-11
3,0.10-15
1,2.10-13
2,8.10-11
1,7.10-13
-
-
-
-
α – Fe
700÷750
2,00
-
C
α – Fe
500÷750
0,20
-
N
α – Fe
-
3.10-2
3.10-4
1,1.10-8
2,0.10-6
0,5
-
N
Cr
-
-
B
Fe40N40B20
Pd81Si19
NaCl
-
-
Ag
Na+
Cl-
Ag+
Ag+
O2
H2
-
-
350÷750
-
NaCl
-
1,1.102
1,2
-
AgBr
-
1,8.10-12
1,2.10-10
1,8.10-9
1,0.10-7
GaAs
500÷1000
2,5.10-3
2,09
5,0.10-6
-
Polyetylen
Cao su tự nhiên
-
-
12,2
6,0
0,26
-
6
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
Chương I KHUẾCH TÁ N VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU
1.2.2 Định luật FickII
Nếu nồng độ c khô ng những là hàm của x mà cò n phụ
thuộc vào thời gian t thì để thuận tiện người ta sử dụng
định luật FickII
Định luật FickII trong trường hợp hệ số khuếch tá n khô ng
phụ thuộc nồng độ như sau:
2c
x2
c
t
(1.2)
= Dc
= D.
7
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
Chương I KHUẾCH TÁ N VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU
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
) là hàm sai của đại lượng
x
x
Trong đó erf(
D.t
2 D.t
được tí nh sẵn trong sổ tay toá n học
8
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
Chương I KHUẾCH TÁ N VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU
x
Từ biểu thức (1.3) thấy rằng c(x,t) tỷ lệ với
2 D.t
Nếu cs và c0 là hằng số có nghĩa là chiều sâ u x lớp
khuếch tá n với nồng độ c nào đó tỷ lệ thuận với
D.t
9
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
Chương I KHUẾCH TÁ N VÀ CHUYỂN PHA TRONG VẬT LIỆU
1.3 Cơ chế khuếch tá n
Cơ chế khuếch tá n giải thí ch trị số D0 và Q tì m hiểu qúa trì nh
dịch chuyển nguyên tử ( ion, phâ n tử ) trong những vật liệu
khá c nhau.
1.3.1 Trong dung dich thay thế
Cá c nguyên tử khuếch tá n 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 Gv đủ để phá vỡ liên kết với những
m
nguyên tử bên cạnh, nới rộng khoảng cách hai nguyên tử ở
giữa nút trống và nguyên tử dịch chuyển
10
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
1.3.1 Trong dung dich thay thế
- Có nút trống nằm cạnh nguyên tử: nồng độ nút trống tỷ lệ
với exp(-ΔGv /kT) trong đó ΔGv là năng lượng tạo nút trống,
f
tức năng lượng cần tá ch nguyfên tử khỏi nút mạng trong
hoàn chỉnh, năng lượng này tỷ lệ với nhiệt hoá năng
Như vậy khả năng khuếch tá n phụ thuộc vào xá c suất của hai
quá trì nh trênvà hệ số khuếch tá n có thể viết dưới dạng:
D = const.exp(-ΔGv /kT).exp(-ΔGv /kT) (1.4)
f
Nếu tí nh đến quan hệ G = H – TSm
Trong đó: H là entanpi
S là entropi
Khi đó biểu thức (1.2) của D, có thể xá c định Q và D0:
v
Q = ΔHm + ΔHv
(1.5)
f;
D0 = const.exp[(ΔS0 + ΔS0 )/k] (1.6)
f
m
11
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
1.3.1 Trong dung dich thay thế
v
Bằng cách so sánh Q và tổng ΔHm + ΔHv có thể dự đoán được sự
f
có mặt của cơ chế nút trống trong vật liệu cụ thể. Trong nhiều kim loại
v
ΔHm + ΔHv = 1 ÷ 3eV/nguyên tử và (ΔS0 + ΔS0 )/k =2 từ đó
f
f
m
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
12
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
A
L
B
A
X
3
1
2
Hình:1.2 Mô hình khuếch tán theo cơ chế nút trống (a)
và cơ chế giữa nút mạng (b)
13
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
1.3.2 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:
D = const.exp(ΔSim/k).exp(ΔHim/kT) (1.7)
14
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
1.3.2 Trong dung dich xen kẽ
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 1,7.10-6 cm2/s ở 800 0C ;
γ – Fe là 6,7.10-7 cm2/s ở 1000 0C
15
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
1.3.3 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.
16
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
1.3.4 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
17
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
1.3.5 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
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
18
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
1.4 Một số ví dụ khuếch tán trong vật liệu
1.4.1 Công nghệ đúc
1.4.2 Ủ đồng đều thành phần
1.4.3 Tạo lớp thấm bề mặt
1.4.4 Thiêu kết
1.4.5 Oxy hoá kim loại
1.4.6 Pha tạp bán dẫn và thủy tinh
19
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
1.5 Những cơ sở chung của chuyển biến pha
Những chuyÓn biÕn pha thêng gÆp trong vËt liÖu lµ:
- KÕt tinh tõ thÓ láng, vÝ dô:
Nh«m kÕt tinh ë 660 0C, hîp kim 70%Pb + 30%Sn b¾t ®Çu ë nhiÖt ®é
275 0C vµ kÕt thóc kÕt tinh ë 183 0C.
- ChuyÓn pha thï hinh, vÝ dô:
Khi lµm nguéi - Fe (m¹ng lËp ph¬ng t©m mÆt) chuyÓn h×nh thµnh
- Fe (m¹ng lËp ph¬ng t©m khèi) ë 910 0C
- ChuyÓn pha cïng tÝch.
Khi hai pha c©n b»ng vµ ®îc t¹o ra ®ång thêi tõ , vÝ dô:
Khi lµm nguéi thÐp 0,8%C díi ®êng Ac1, tõ austenit tiÕt ra ®ång thêi
hai xªmentit vµ ferit
20
Nguyễn Quốc Tuấn - Bộ môn: TB &DC
Tải về để xem bản đầy đủ
51 trang
16340
Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở vật liệu học - Chương 1: Khuếch tán và chuyển pha trong vật liệu - Nguyễn Quốc Tuấn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- bai_giang_co_so_vat_lieu_hoc_chuong_1_khuech_tan_va_chuyen_p.ppt
