Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 5 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà

Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 5 Khuếch tán và biến đổi thù hình, gồm các nội dung chính sau cơ chế khuếch tán trong CR; khả năng khuếch tán ứng dụng; những biến đổi không thay đổi thành phần;...Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Cơ sở khoa học vật liệu: Chương 5 - PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hà CHƯƠNG 5 KHUẾCH TÁN VÀBIẾN ĐỔI THÙ HÌNH PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 1 TỪ KHÓA• Diffusion• Concentration Gradient• Fick’s Law PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 2 VIẾT TẮT• T: Nhiệt độ • HCHH: Hợp chất hóa• NT: Nguyên tử học• PT: Phân tử • DDR: Dung dịch rắn• VL: Vật liệu • NL: Năng lượng• CR: Chất rắn • LK: Liên kết PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 3 1. MỞ ĐẦU Khuếch tán: dòng chuyển chất để cân bằng thế Coi động lực quá trình tương tự lực f tác dụng lên phần tử i, thì i sẽ dịch chuyển với vận tốc vi Theo Nerst-Einstein: vi tỉ lệ với f: vi  f  f= -Bivi  -Bi= f/vi (1) Dấu “-” thể hiện dòng theo hướng giảm thế PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 4 1.1. PHƯƠNG TRÌNH NERST-EINSTEIN CHO PHẢN ỨNG HÓA HỌC Phản ứng hóa học xảy ra do chênh lệch thế hóa  Thế hóa của phần tử i: i= G/ni Động lực f theo phương x tác động lên i trong N (N: số Avogadro) phần tử: f= (1/N) x (di/dx) So sánh với (1): -Bi= vi/[(1/N) x (di/dx)] Dòng cấu tử Ji qua một đơn vị diện tích vuông góc trong một đơn vị thời gian: Ji= -1/N x (di/dx)] x Bi x ci trong đó: Ji= vici (ci: nồng độ) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 51.2. PT NERST-EINSTEIN CHO DÒNG IONDòng điện Ji được coi là dòng điện tích (e, ion) chuyển động nhằm cân bằng điện thế E theo hướng x: f= E/x có thể được mô tả bằng dòng khuếch tán các hạt tích điện, theo (1): -Bi= Ji/(E/x) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 6 1.3. PT NERST-EINSTEIN CHO CHÊNH LỆCH NỒNG ĐỘ PT Nerst-Einstein cho dòng khuếch tán trong phản ứng hóa học: Ji= -1/N x (di/dx)] x Bi x ci Do di= RTd(lnci)  Ji= (-RT/N) x (dci/dx) x Bi Coi (RT/N) x Bi= kTBi= Di (k: hằng số Boltzman) Ji= -Di x (dci/dx) Đây là định luật Fick I với Di là hệ số khuếch tán PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 7 1.3.1. Định luật Fick I cho dòng ổn địnhĐịnh luật Fick I: mối quan hệ giữa mật độ dòng cấu tử i (Ji) khuếch tán qua một đơn vị bề mặt vuông góc với phương khuếch tán x và gradient nồng độ dci/dx: Ji= -Di.(dci/dx)= -Di.grad c (2)• Dấu “-” chỉ dòng khuếch tán theo chiều giảm nồng độ• Di – hệ số khuếch tán, m2/s PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 8PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 9 1.3.2. Định luật Fick II cho dòng không ổn định Khi ci là hàm của cả x và thời gian t, sử dụng ĐL Fick II (nếu D không phụ thuộc vào nồng độ): ∂ci/∂t= Di.(∂2ci/∂x2)= Di.ci (3) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 10PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 11 1.3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tánD phụ thuộc vào T theo quy luật: D= Do.exp(-E/RT) (4) Do – hằng số, m2/s E – hoạt năng khuếch tán, J/mol T – nhiệt độ khuếch tán, K R – 8,314 J.mol/K (hằng số khí)Do, E: xác định bằng thực nghiệm PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 12 2. CƠ CHẾ KHUẾCH TÁN TRONG CR 2.1. TỰ KHUẾCH TÁN TRONG TINH THỂ Tự khuếch tán: kh.tán của NT A trong nền của chính A T> 0K: luôn có sai sót điểm, làm chênh lệch nồng độ trong CR, sự dịch chuyển nhằm cân bằng sai sót luôn tạo dòng khuếch tán trong tinh thể PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 132.1. TỰ KHUẾCH TÁN TRONG TINH THỂDòng khuếch tán theo các phương trong không gian tinh thểHình: a) Khuếch tán nút trống c) Khuếch tán trao đổi và xoay vòng PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 14 2.2. KHUẾCH TÁN TƯƠNG HỖ (TIẾP XÚC)Khuếch tán tương hỗ: khuếch tán của cả A và B trong nền A hoặc BHai VL tiếp xúc bề mặt, cơ chế khuếch tán có thể chia làm 2 giai đoạn:1. Quá trình khuếch tán tại bề mặt2. Quá trình khuếch tán từ bề mặt vào trong PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 15PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 16 2.3. KHUẾCH TÁN KHÁC LOẠIKhuếch tán khác loại: là khuếch tán của NT B với nồng độ nhỏ trong nền AĐiều kiện để có khuếch tán khác loại: B phải hòa tan trong A PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 17 2.3.1. Khuếch tán theo cơ chế nút trống Trong dung dịch rắn thay thế: NT dịch chuyển đến nút trống bên cạnh Hai điều kiện để dịch chuyển như vậy: 1) NT có hoạt năng Gvm đủ lớn để phá vỡ LK với những NT bên cạnh, nới rộng khoảng cách 2 NT ở giữa nút trống và NT dịch chuyển. Số lượng NT có hoạt năng như vậy tỉ lệ với exp(- Gvm/kT) PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HÀ 18 2.3.1. Khuếch tán theo cơ chế nút trống2) Có nút trống nằm cạnh NT: nồng độ nút trống tỉ lệ với exp(Gvf/kT), trong đó Gvf l ...