CHƯƠNG QUÁ TRÌNH KHUẾCH TÁN 8.1 Giới thiệu • Nhiều phản ứng trình quan trọng xử lý vật liệu dựa vào việc truyền khối lịng chất rắn từ pha lỏng, khí, rắn đến pha khác • Q trình truyền khối thực khuếch tán, tượng truyền vật liệu chuyển động ngun tử • Hiện tượng khuếch tán minh họa cách sử dụng cặp khuếch tán, tạo thành cách ghép sát vào bề mặt hai miếng kim loại khác (ví dụ Cu Ni) • Cặp kim loại gia nhiệt nhiệt độ cao (nhỏ nhiệt độ nóng chảy hai kim loại) thời gian làm nguội nhiệt độ phịng • Phân tích hóa học cho thấy kim loại nguyên chất Cu, Ni nằm hai đầu cách vùng hợp kim Cu-Ni • Kết cho thấy nguyên tử Cu khuếch tán vào Ni ngược2 lại 3 • Q trình mà ngun tử kim loại khuếch tán vào kim loại gọi nội khuếch tán (interdiffusion) khuếch tán tạp chất (impurity diffusion) • Khuếch tán xảy kim loại nguyên chất, nguyên tử loại trao đổi vị trí cho gọi tự khuếch tán (self-diffusion) 8.2 Cơ chế khuếch tán • Các nguyên tử chất rắn thường xuyên chuyển động vị trí chúng thay đổi nhanh chóng • Để nguyên tử chuyển động vậy, cần phải có hai điều kiện: phải có vị trí trống lân cận nguyên tử phải có đủ lượng để bẻ gảy liên kết với nguyên tử xung quanh gây biến dạng mạng tinh thể trình di chuyển Năng lượng lượng dao động nguyên tử • Ở nhiệt độ xác định có phần tổng số nguyên tử có đủ lượng để di chuyển, • Nhiệt độ cao, phần nguyên tử có khả di chuyển lớn • Có nhiều chế khuếch tán đề nghị, có hai chế khuếch tán kim loại thừa nhận khuếch tán theo chế nút trống nguyên tử xen kẽ 8.2.1 Cơ chế khuếch tán theo nút trống • Nguyên tử từ nút mạng di chuyển đến nút trống lân cận theo chế khuếch tán nút trống địi hỏi có mặt nút trống lân cận • Mức độ khuếch tán theo chế nút trống hàm số nút trống có mặt mạng Ở nhiệt độ cao mật độ nút trống lớn nên khuếch tán theo chế nút trống dễ xảy • Do nút trống nguyên tử trao đổi vị trí cho khuếch tán nguyên tử theo hướng ứng với khuếch tán nút trống theo hướng ngược lại • Hiện tượng nội khuếch tán tự khuếch tán xảy theo chế 8.2.2 Cơ chế khuếch tán theo nguyên tử xen kẽ • Ngun tử từ vị trí xen kẽ di chuyển đến vị trí xen kẽ lân cận khác trống theo chế khuếch tán nguyên tử xen kẽ • Cơ chế thường gặp tượng nội khuếch tán tạp chất hydrơ, cabon, nitơ oxy ngun tử có kích thước đủ nhỏ để nằm vị trí xen kẽ • Các nguyên tử gốc mạng (host atoms) nguyên tử tạp chất vị trí thay nằm vị trí xen kẽ nên thường khơng khuếch tán theo chế • Trong đa số hợp kim, khuếch tán theo chế nguyên tử xen kẽ xảy nhanh nhiều so với chế khuếch tán theo nút trống ngun tử xen kẽ có kích thước nhỏ hơn, linh động • Hơn nữa, số vị trí xen kẽ trống nhiều số nút trống nên xác suất để di chuyển theo chế xen kẽ lớn xác suất di chuyển theo chế nút trống 8.3 Khuếch tán trạng thái ổn định • Tốc độ khuếch tán thường biểu diễn dòng khuếch tán J, • J khối lượng chất M số nguyên tử M khuếch tán ngang qua vng góc với đơn vị tiết diện chất rắn đơn vị thời gian • Đơn vị J [kg/m2s] [số ngun tử/m2s] •Nếu dịng khuếch tán khơng thay đổi theo thời gian gọi khuếch tán trạng thái ổn định (steady-state diffusion) • Một ví dụ khuếch tán ổn định phổ biến khuếch tán nguyên tử khí ngang qua kim loại mà nồng độ (hoặc áp suất) hạt khuếch tán7 bề mặt hai bên giữ không đổi ... c? ??n theo chế khuếch t? ?n n? ?t trống địi hỏi c? ? m? ?t n? ?t trống lân c? ??n • M? ?c độ khuếch t? ?n theo chế n? ?t trống hàm số n? ?t trống c? ? m? ?t mạng Ở nhi? ?t độ cao m? ?t độ n? ?t trống lớn nên khuếch t? ?n theo... vị trí xen kẽ c? ??n trống nhi? ?u số n? ?t trống nên x? ?c su? ?t để di chuyển theo chế xen kẽ lớn x? ?c su? ?t di chuyển theo chế n? ?t trống 8.3 Khuếch t? ?n trạng thái ổn định • T? ? ?c độ khuếch t? ?n thường bi? ?u. .. loại nguyên ch? ?t, nguyên t? ?? loại trao đổi vị trí cho gọi t? ?? khuếch t? ?n (self-diffusion) 8.2 C? ? chế khuếch t? ?n • C? ?c nguyên t? ?? ch? ?t rắn thường xuyên chuyển động vị trí chúng thay đổi nhanh chóng