Anyagismeret 2016/17. Diffúzió. Dr. Mészáros István Diffúzió

Hasonló dokumentumok
Diffúzió. Diffúzió. Diffúzió. Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Diffúzió. Diffúzió sebessége: gáz > folyadék > szilárd (kötőerő)

Diffúzió 2003 március 28

Fizika-Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS Október 22. Vig Andrea PTE ÁOK Biofizikai Intézet

Transzportfolyamatok. Alapfogalmak. Lokális mérlegegyenlet. Transzportfolyamatok 15/11/2015

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK. Anyagismeret 2016/17. Szilárdságnövelés. Dr. Mészáros István Az előadás során megismerjük

Reális kristályok, kristályhibák

Transzportjelenségek

DIFFÚZIÓ. BIOFIZIKA I Október 20. Bugyi Beáta

2. (d) Hővezetési problémák II. főtétel - termoelektromosság

Anyagtudomány. Ötvözetek egyensúlyi diagramjai (állapotábrák)

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

Szívelektrofiziológiai alapjelenségek. Dr. Tóth András 2018

Reakciókinetika és katalízis

SEMMELWEIS EGYETEM. Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet, Nanokémiai Kutatócsoport. Zrínyi Miklós

Elektromos vezetési tulajdonságok

Szilárdság (folyáshatár) növelési eljárások

Reológia Mérési technikák

Egy részecske mozgási energiája: v 2 3 = k T, ahol T a gáz hőmérséklete Kelvinben 2 2 (k = 1, J/K Boltzmann-állandó) Tehát a gáz hőmérséklete

Reális kristályok, rácshibák. Anyagtudomány gyakorlat 2006/2007 I.félév Gépész BSC

Fázisátalakulás Fázisátalakulások diffúziós (egyedi atomi mozgás) martenzites (kollektív atomi mozgás, diffúzió nélkül)

Makroszkópos tulajdonságok, jelenségek, közvetlenül mérhető mennyiségek leírásával foglalkozik (például: P, V, T, összetétel).

A diffúzió leírása az anyagmennyiség időbeli változásával A diffúzió leírása a koncentráció térbeli változásával

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2.

Elektrofiziológiai alapjelenségek 1. Dr. Tóth András

Az atomok elrendeződése

Kémiai reakciók sebessége

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Molekulák, folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

Szabadentalpia nyomásfüggése

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Orvosi Fizika 10. Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

PHYWE Fizikai kémia és az anyagok tulajdonságai

A kémiai és az elektrokémiai potenciál

3. (b) Kereszthatások. Utolsó módosítás: április 1. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

Ötvözetek, állapotábrák. Az előadás során megismerjük: Ötvözetek szerkezete Homogén?

13 Elektrokémia. Elektrokémia Dia 1 /52

Szemcsehatárcsúszás és sebességérzékenységi tényező ultra-finomszemcsés Al-30Zn ötvözet plasztikus deformációjában. Visegrád 2011

Mikropillárok plasztikus deformációja 3.

Reakciókinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Molekulák mozgásban a kémiai kinetika a környezetben

Fémek és ötvözetek termikus viselkedése

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Követelmények: f - részvétel az előadások 67 %-án - 3 db érvényes ZH (min. 50%) - 4 elfogadott laborjegyzőkönyv

Tematika. Az atomok elrendeződése Kristályok, rácshibák

Transzportfolyamatok

Határfelületi jelenségek. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 3. Általános anyagszerkezeti ismeretek. N m J 2

Spontaneitás, entrópia

Fizikai kémia 2 Reakciókinetika házi feladatok 2016 ősz

Biofizika I. DIFFÚZIÓ OZMÓZIS

Általános Kémia, 2008 tavasz

7 Elektrokémia. 7-1 Elektródpotenciálok mérése

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

Szigetelők Félvezetők Vezetők

Spontaneitás, entrópia

2. (b) Hővezetési problémák. Utolsó módosítás: február25. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

Reakciókinetika. aktiválási energia. felszabaduló energia. kiindulási állapot. energia nyereség. végállapot

Alkalmazás a makrókanónikus sokaságra: A fotongáz

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Reakció kinetika és katalízis

Biológiai membránok fizikája, diffúzió, ozmózis Dr. Nagy László

Határfelületi jelenségek. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 3. Általános anyagszerkezeti ismeretek E A J 2. N m

Energia. Energia: munkavégző, vagy hőközlő képesség. Kinetikus energia: a mozgási energia

A munkavégzés a rendszer és a környezete közötti energiacserének a D hőátadástól eltérő valamennyi más formája.

Dr. Kopecskó Katalin

T I T - M T T. Hevesy György Kémiaverseny. A megyei forduló feladatlapja. 8. osztály. A versenyző jeligéje:... Megye:...

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Atomok. szilárd. elsődleges kölcsönhatás. kovalens ionos fémes. gázok, folyadékok, szilárd anyagok. ionos fémek vegyületek ötvözetek

Égés és oltáselmélet I. (zárójelben a helyes válaszra adott pont)

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok. Elektromos vezetési folyamatban töltést továbbító (elmozdulni képes) részecskék:

Szilárdságnövelés. Az előadás során megismerjük. Szilárdságnövelési eljárások

FIZIKA I. Ez egy gázos előadás lesz! (Ideális gázok hőtana) Dr. Seres István

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

TestLine - Fizika 7. osztály Hőtan Témazáró Minta feladatsor

Fluidum-kőzet kölcsönhatás: megváltozik a kőzet és a fluidum összetétele és új egyensúlyi ásványparagenezis jön létre Székyné Fux V k álimetaszo

Termodinamika (Hőtan)

Az elektromos kettősréteg. Az elektromos potenciálkülönbség eredete, értéke és az azt befolyásoló tényezők. Kolloidok stabilitása.

Az egyensúly. Általános Kémia: Az egyensúly Slide 1 of 27

Sejtek membránpotenciálja

Hevesy György Kémiaverseny. 8. osztály. megyei döntő 2003.

Radioaktív nyomjelzés

5. Laboratóriumi gyakorlat

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (limitációk) Fókusz Légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

TestLine - Fizika hőjelenségek Minta feladatsor

Kinetika. Általános Kémia, kinetika Dia: 1 /53

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok

Gázok. 5-7 Kinetikus gázelmélet 5-8 Reális gázok (korlátok) Fókusz: a légzsák (Air-Bag Systems) kémiája

Minta feladatsor. Az ion neve. Az ion képlete O 4. Szulfátion O 3. Alumíniumion S 2 CHH 3 COO. Króm(III)ion

KRISTÁLYHIBÁK. Rácsot összetartó erők

Légköri termodinamika

5. Az adszorpciós folyamat mennyiségi leírása a Langmuir-izoterma segítségével

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

BIOFIZIKA I OZMÓZIS Bugyi Beáta (PTE ÁOK Biofizikai Intézet) OZMÓZIS

Az anyagi rendszer fogalma, csoportosítása

ÖSSZEFOGLALÁS HŐTANI FOLYAMATOK

Átírás:

Anyagismeret 6/7 Diffúzió Dr. Mészáros István meszaros@eik.bme.hu Diffúzió Különféle anyagi részecskék anyagon belüli helyváltoztatása Az anyag lehet gáznemű, folyékony vagy szilárd

Diffúzió Diffúzió - traszportfolyamat (atom, ion, fonon, elektron, hőmennyiség...) Elektromos vezetés (Ohm) töltés áram elektr. potenciál grad. Hővezetés (Fourier) energia áram hőmérséklet különbség Kémiai reakció anyagátalakulás affinitás (kémiai potenciál különbség) Diffúzió (Fick) anyag áram kémiai potenciál különbség Diffúzió sebessége: gáz folyadék szilárd (kötőerő) Szilárdtest diffúzió koncentráció változás Koncentráció különbség: csökken (szokásos eset) növekszik (szegregáció, precipitáció, getterezés) Emelt hőmérsékletű technológiák (hőkezelés, újrakristályosítás, szinterelés, oidáció, doppolás...) Öndiffúzió (rádioaktív tracer atom, Hevesy György 943) Interdiffúzió/koncentrációs diff. (kémiai analízis, EDS) A + B A koncentráció gradiens emelt hőmérséklet atomi mozgás konc. kiegyenlítődés IRREVERZIBILIS

Diffúzió szilárd állapotban. Öndiffúzió saját atomok vándorlása. Hajtóerő: a szilárdtestben lévő energiakülönbségek C A D B C A B D Megfigyelése: radioaktív tracer izotópokkal. Diffúzió szilárd állapotban. Koncentrációs diffúzió különböző atomok vándorlása. Hajtóerő: az anyagban lévő koncentráció-különbség. Koncentrációs diffúzió során a koncentráció-különbség: csökken (szokásos eset) növekszik (szegregáció) 3

Koncentrációs diffúzió % Cu Ni % Koncentrációeloszlás Koncentrációeloszlás A diffúzió kinetikája Intersíciós mehanizmus H, C, N, B, O Vakancia (csatolt) mehanizmus saját és szubsztitúciós atomok Aktiválási energia nagyobb 4

Diffúziós modellek Statisztikai modell (Einstein) elemi atomi ugrások eredője R n r r r Rn t r : időegység alatti ugrások száma r: Intersíciós: üres rácspontok távolsága Szubsztitúciós: rácspontok távolsága n Termodinamikai modell (Onsager - Fick) Kémiai potenciál gradiens dm dc D Adt d J D gradc J gradu E D: diffúziós tényező Fick - I. J: tömegáram sűrűség (fluus) Fick - II. törvény J: nem mérhető Feltételezve, hogy: dd/d = dc dt d C d C d C D d dy dz dc dt d C D d Fick - II. 5

A diffúziós tényezőt befolyásoló tényezők D (hőmérséklet, ötvöző típusa, kristályhibák, nyomás,...) D D e E kt D hőmérsékletfüggése D E kt De D e W RT n vakancia Ne E kt Ne W RT ln D ln D E kt Termikusan aktivált folyamat Arrhenius - ábrázolás Etrém erős hőmérsékletfüggés. Hőmérsékletszabályozási problémák. 6

A diffúziós tényezőt befolyásoló tényezők D (hőmérséklet, ötvöző típusa, kristályhibák, nyomás,...) Saját atom < Szubsztitúciós ötvöző < Interstíciós ötvöző Vakancia mehanizmus Interstíciós mehanizmus Cu Ötvöző típusának hatása Saját atom < Szubsztitúciós ötvöző < Interstíciós ötvöző Kirkendall - kísérlet / jelenség (határfelület eltolódása) Sárgaréz Cu - Zn Mo Cu Zn + vakancia Szubsztizúciós ötvöző gyorsabban diffundál mint a saját atom. 7

Diffúziós üregképződés Minden szubsztitúciós atom (Zn) visz magával egy vakanciát. n i J i J Cu J Zn J Vakancia Vakancia csatolt mechanizmus vakanciaáram Üregek, üregsorok képződhetnek. Nagy D különbség esetén. (Frenkel: A semmi kikristályosodik ) A diffúziós tényezőt befolyásoló tényezők D (hőmérséklet, ötvöző típusa, kristályhibák, nyomás,...) Makrofelület > Szemcse- / Fázishatár > Diszlokáció Polikristály > Egykristály 8

térfogati felületi Kristályhibák hatása Mindenfajta kristály rendezetlenség gyorsítja a diffúziót. szemcsehatármenti ln D felületi szemcsehatármenti térfogati /T A diffúziós tényezőt befolyásoló tényezők D (hőmérséklet, ötvöző típusa, kristályhibák, nyomás,...) E kt Makrofelület > Szemcse- / Fázishatár > Diszlokáció D D e Polikristály > Egykristály Saját atom < Szubsztitúciós ötvöző < Interstíciós ötvöző Vakancia mehanizmus Interstíciós mehanizmus 9

A végtelen félteres megoldás Külső végeken nincs koncentráció változás. Gauss - féle hibaintegrál (improprius) Függvénytábla, iterráció -,7 < <,7 Durva közelítés: = C C(, t) ( ) D t Gauss-féle hibaintegrál Dt y ep y dy, y 4Dt y Az értékek táblázatokban megtalálhatók.

Jellegzetes problémák X X Behatolási mélység az idő függvényében (gyökös). Tipikus eset: oidréteg vastagságának növekedése. t t Behatolási mélység a hőmérséklet függvényében. Alkalmazás Tudjuk: a mintában mélységben C lesz a koncentráció t idő alatt, adott T hőmérsékleten. Kérdés: azonos idő alatt milyen hőmérsékleten jön létre ugyanekkora koncentráció mélységben? C C, t, t C C D t D t

Alkalmazás D e D e Q RT Q RT t D e Q RT D e ln Q RT t ln Q R T T Etrém erős hőmérséklet függés. Zn diffundál Cu-be D = 8-5 m /s Q =,59 5 J/g atom (Behatolási mélység =, mm) (Koncentráció = %) T = 6 C Idő = h T = C Idő = 8 h (kb.. év)

Q = 46 kj/g atom R = 8,3 J/K mol A diffúziós folyamat sebességét kétszeresére akarjuk növelni. T =,5 T (5 % növekedés!!) Spiking jelenség 45 ºC hőkezelés Gyors Si diffúzió az Al-ba Szilárd oldat Spike Rövidzár 3

Anyagszerkezet és diffúzió kapcsolata A diffúzió gyorsabb kisebb térkitöltésű szerkezeteknél kisebb olvadáspontú anyagnál másodlagos kötésű anyagnál kisebb diffundáló atomoknál kationoknál kisebb sűrűségű anyagnál polikristályos testben finomabb szemcséjű anyagban intersztíciós atomoknál Nagy számú rácshibát tartalmazó szerkezetben A diffúzió lassúbb legsűrűbben rakott szerkezeteknél nagyobb olvadáspontú anyagnál kovalens kötésű anyagnál nagyobb diffundáló atomoknál anionoknál nagyobb sűrűségű anyagnál egykristályban durvább szemcséjű anyagban szubsztitúciós atomoknál 7 4