Диффузия

Диффузия − движение частиц среды, приводящее к необрати­мому переносу вещества или к установлению равновесного распреде­ления концентраций частиц данного сорта в среде.

В качестве диффундирующих частиц рассматривают молекулы, атомы, электроны проводимости, дырки, нейтроны и другие частицы. Диффузия в твердых веществах приводит к переносу атомов на расстояния,превышающие межатомные расстояния для данного вещества.

Частным случаем диффузии в чистом веществе или растворе постоян­ного состава, при котором диффундируют собственные частицы вещества, а его химический состав не меняется, является самодиффузия. При самодиффузии диффузионные перемещения частиц твердого вещества могут приводить к изменению его формы и к другим явлениям. Так, длительное воздействие сил поверхностного натяжения, тяжести, упругих, электриче­ских и др. может привести к сращиванию двух пришлифованных поверхно­стей образцов одного и того же вещества, спеканию порошков, растягива­нию образцов под действием подвешенного к ним груза (диффузионная ползучесть материалов) и др.

В отсутствие макроскопического движения среды диффузия молекул (атомов) определяется их тепловым движением. При наличии в среде стационарных перепадов температуры, электрических полей и т.п. диффузия приводит к установлению равновесного распределения концентраций, характеризуемого соответствующими градиентами (термодиффузия, электродиффузия и т.п.). В однородной системе (газ, жидкость) при молекулярной диффузии в отсутствие внешних воздействийдиффузионный поток (поток массы) пропорционален градиентуегоконцентрации. Коэффициент пропорциональности называется коэффициентом диффузии. Коэффициент диффузии зависит от строе­ния и структуры взаимодействующих веществ и особенно сильно — от температуры.

В твердых кристаллических веществах различают следующие виды диффузии: по механизму протекания; по геометрическому месту переноса атомов; по месту поглощения атомов и по природе процесса.

Механизм протекания диффузии может быть межузелъным, вакансионным, обменным и циклическим (рис. 4.16). Реализация того или иного механизма протекания диффузии определяется кристалличе­ским строением вещества и типом дефектов его кристаллической ре­шетки. Так, доказано, что основным механизмом диффузии примес­ных атомов в твердых растворах замещения является вакансионный, а в твердых растворах внедрения − межузельный.

Рис. 4.16. Схемы механизмов протекания диффузии: а – межузельный; б – вакансионный; в – обменный; г – циклический

По геометрическому месту переноса атомов выделяют объем­ную, поверхностную (из внешней среды) и граничную (по границам зе­рен) диффузию. Для совершения элементарного акта диффузии атом должен преодолеть энергетический барьер. Наиболее легко диффузия протекает по поверхности и границам зерен, где сосредоточены де­фекты кристаллического строения (вакансии, дислокации и др.).

Объемная диффузия в твердых веществах обусловлена пере­скоками атомов из одного положения в другое, относительно сво­бодное.

Поверхностная диффузия связана или с переносом вещества на поверхность материала из внешней среды, или с поверхности материа­ла во внешнюю среду, или на поверхность материала из его объема, или же в глубь материала с его поверхности (сорбционные процессы).

Сорбция − поглощение твердым телом или жидкостью какого-либо вещества из окружающей среды. Поглощающее тело называется сорбен­том, поглощаемое − сорбтивом (сорбатом).

По месту поглощения атомов различают поверхность и объем. При этом сорбционные процессы, протекающие на поверхности, на­зываются адсорбцией, а в объеме − абсорбцией. Сорбционные процес­сы избирательны и обратимы. Обратный процесс выделения погло­щенного компонента называется десорбцией.

Адсорбция − поглощение вещества из газовой или жидкой среды по­верхностным слоем твердого тела (адсорбента) или жидкости.

Абсорбция − поглощение какого-либо вещества из окружающей среды всей массой поглощающего тела (абсорбента). Абсорбция жидким абсор­бентом какого-либо компонента из газовой смеси − растворение, из жид­кой смеси − экстракция.

Природу диффузии по характеру сорбционных процессов рас­сматривают как физическую, если вещество при сорбционных процес­сах сохраняет все свои свойства, или как химическую (хемосорбция), если вещество в этих процессах вступает в реакции. При физической при­роде сорбционные процессы обусловлены ван-дер-ваальсовыми си­лами притяжения частиц окружающей среды к частицам вещества.

Диффузия молекул в полимерах отличается от диффузии в кристаллических веществах. Отличия обусловлены большими размерами и массой молекул полимеров и их малой тепловой энергией.

С процессом диффузии связаны структурные изменения в материалах, которые могут ухудшать их физические и механические свойства. Диффузия в значительной степени определяет кинетику физико-химических процессов, обусловливающих разрушение материалов, ползучесть, старение, коррозию и др. Адсорбция газов или жидкостей из внешней среды приводит к ухудшению диэлектрических свойств изоляционных материалов, понижает прочность металлов и изменяет другие свойства.