Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa Käsiteltävät aiheet... Mitä on diffuusio? Miksi sillä on tärkeä merkitys erilaisissa käsittelyissä? Miten diffuusionopeutta voidaan ennustaa? Miten diffuusio riippuu rakenteesta ja lämpötilasta?

Diffuusio Diffuusio - massan siirtymistä atomien liikkeenä Mekanismit kaasut ja nesteet – satunnaista (Brownin) liikettä kiinteät aineet – atomien vakanssi- tai välisijadiffuusiota Diffusion mechanism depends on material

Diffuusio Rajapintadiffuusio: seosmetallissa atomit pyrkivät korkean konsentraation alueilta matalan konsentraation alueille aluksi jonkin ajan kuluttua Figs. 5.1 and 5.2, Callister 7e.

Diffuusio Itsediffuusio: myös homogeenisessä materiaalissaatomit vaihtavat paikkojaan alkutilanne jonkin ajan kuluttua A B C D A B C D

Diffuusiomekanismit Vakanssidiffuusio atomit vaihtavat paikkaa vakanssien kanssa toimii korvausatomeilla nopeus riippuu vakanssien määrästä aktivaatioenergiasta kasvava aika

Diffuusiosimulaatio Rajapintadiffuusion simulointi rajapinnan yli Diffuusionopeus riippuu vakanssien määrästä atomien paikan vaihtamisen taajuudesta (Courtesy P.M. Anderson)

Diffuusiomekanismit Välisijadiffuusio – pienemmät atomit voivat diffundoitua atomien välissä this is essentially mechanism in amorphous materials such as polymer membranes Fig. 5.3 (b), Callister 7e. Nopeampaa kuin vakanssidiffuusio

Diffuusion käyttö käsittelyissä Pintakarkaisu hiiliatomit diffundoituvat teräksen pintakerrokseen esim. pintakarkaistu hammaspyörä hiiliatomit lujittavat terästä tehden hammaspyörän pinnasta kovemman Chapter 5, Callister 7e.

Diffuusion käyttö käsittelyissä Piin seostus fosforilla n-tyypin puolijohteissa Menetelmä suurennettu kuva piirilevystä 0,5 mm vaaleat alueet: Si-atomeja vaaleat alueet: Al-atomeja pinnoitetaan pinnalle P-rikkaita kerroksia piitä 2. lämmitetään 3. tuloksena seostettuja puolijohdealueita piitä Chapter 18, Callister 7e.

Diffuusio Miten diffuusion määrä tai nopeus määritellään? Kokeellinen mittaus valmistetaan ohut kalvo, jonka pinta-ala tunnetaan asetetaan konsentraatiogradientti mitataan kuinka nopeasti atomit tai molekyylit diffundoituvat kalvon läpi M = diffundoitunut massa aika J  kulmakerroin

Vakiintuneen vaiheen diffuusio Diffuusionopeus on ajasta riippumaton konsentraatiogradienttiin verrannollinen vuo = C1 C2 x x1 x2 Fickin 1. diffuusiolaki D  diffuusiokerroin

Esimerkki: kemiallinen suojavaate Metyleenikloridi on yleinen ainesosa maalinpoistajissa Se on ärsyttävää ja voi mennä ihon läpi Tällaista maalinpoistajaa käytettäessä tulee käyttää suojakäsineitä Jos käytetään butyylihanskoja (paksuus 0,04 cm), mikä on diffuusiovuo käsineenhanskan läpi? Lähtötiedot diffuusiokerroin butyylikumille: D = 110 x10-8 cm2/s pintakonsentraatiot: C1 = 0,44 g/cm3 C2 = 0,02 g/cm3

Esimerkki (jatkuu). Ratkaisu – olettaen kosentraatiogradientti lineaariseksi suojakäsine C1 maalin-poistaja iho D = 110 x 10-8 cm2/s C2 = 0,02 g/cm3 C1 = 0,44 g/cm3 x2 – x1 = 0,04 cm Dataa: C2 x1 x2

Diffuusio ja lämpötila • Diffuusiokerroin kasvaa lämpötilan kasvaessa D = Do exp æ è ç ö ø ÷ - Qd R T = vakio [m2/s] = diffuusiokerroin [m2/s] = aktivaatioenergia [J/mol tai eV/atom] = kaasuvakio [8,314 J/mol-K] = lämpötila [K]

Diffuusio ja lämpötila D riippuu eksponentiaalisesti T:sta 1000 K/T D (m2/s) C a-Fe:ssa C g-Fe:ssa Al in Al Fe a-Fe:ssa Fe g-Fe:ssa 0,5 1,0 1,5 10-20 10-14 10-8 T(C) 1500 1000 600 300 D välisija >> D korvaus C a-Fe:ssa C in g-Fe:ssa Al Al:ssa Fe a-Fe:ssa Fe g-Fe:ssa Fig. 5.7, Callister 7e.

Mikä on diffuusiokerroin 350ºC:ssa? Esimerkki: 300ºC:ssa diffuusiokerroin ja aktivaatioenergia kuparille piissä ovat D(300ºC) = 7,8 x 10-11 m2/s Qd = 41,5 kJ/mol Mikä on diffuusiokerroin 350ºC:ssa? muutetaan data D Temp = T ln D 1/T

Esimerkki jatkuu… T1 = 273 + 300 = 573 K T2 = 273 + 350 = 623 K D2 = 15,7 x 10-11 m2/s

Ei-vakiintuneen vaiheen diffuusio Diffundoituvien atomien konsentraatio on funktio ajan ja paikan suhteen C = C(x,t) Tässä tapauksessa käytetään Fickin toista lakia Fickin toinen laki In the non-steady state the concentration profile develops with time.

Ei-vakiintuneen vaiheen diffuusio Kuparia diffundoituu alumiinitankoon ennestään alumiinissa oleva kuparikonsentraatio Co pintakonsentraatio CS tanko C s Fig. 5.5, Callister 7e. Kun t = 0, C = Co kun 0  x   t > 0, C = CS kun x = 0 (vakio pintakonsentraatio) C = Co kun x = 

Ratkaisu C(x,t) = konsent. pisteessä x ajassa t erf (z) = virhefunktio erf(z) arvot on saatavissa taulukosta 5.1 (Callister) CS C(x,t) Co

Epävakiintuneen tilan diffuusio Ongelma: pkk rauta-hiiliseos sisälsi alunperin 0.20 p.% hiiltä. Näyte on hiiletetty korotetussa lämpötilassa ja atmosfäärissä, joka antaa 1.0 wt% pintahiilipitoisuuden. 49,5 h jälkeen hiilipitoisuus 4.0 mm pinnan alla on 0.35 wt% hiiltä. Määritä käsittelyssä käytetty hiiletyslämpötila. Ratkaisu: käytetään yhtälöä 5.5

Ratkaisu (jatkuu): t = 49,5 h x = 4 x 10-3 m Cx = 0,35 wt% Cs = 1,0 p.% Co = 0,20 wt%  erf(z) = 0,8125

Ratkaisu (jatkuu): Määritetään taulukosta 5.1 virhefunktion 0,8125 arvoa vastaava z. Arvoa ei löydy suoraan taulukosta, joten interpoloidaan: z erf(z) 0,90 0,7970 z 0,8125 0,95 0,8209 z = 0,93 Ratkaistaan D

Ratkaisu (jatkuu): Yhtälön (5.9a) muokatulla versiolla voimme ratkaista lämpötilan T Taulukosta 5.2 hiilen diffuusio PKK raudassa: Do = 2,3 x 10-5 m2/s Qd = 148000 J/mol  T = 1300 K = 1027°C

Esimerkki: Kemiallinen suojavaate Metyleenikloridi on yleinen ainesosa maalinpoistajissa Se on ärsyttävää ja se voi suotautua ihon läpi Tällaista maalinpoistajaa käytettäessä tulee käyttää suojakäsineitä Jos käytetään butyylikumikäsineitä (paksuus 0,04 cm), mikä on läpäisyaika (tb), eli kauanko hanskoja voidaan käyttää, ennen kuin metyleenikloridi saavuttaa käden? Data (Taulukko 22.5) butyylikumin diffuusiokerroin: D = 110 x10-8 cm2/s

Esimerkki (jatkuu) Ratkaisu – oletetaan konsentraatiogradientti lineaariseksi suojakäsine C1 C2 iho maalin-poistaja x1 x2 Yhtälö 22.24 D = 110 x 10-8 cm2/s Työskentelyaika n. 4 min

Yhteenveto Diffuusio on NOPEAMPAA… Diffuusio on HITAAMPAA… väljille kiderakenteille materiaaleille, joilla on heikkoja sidoksia pienille diffundoituville atomeille matalan tiheyden materiaaleille Diffuusio on HITAAMPAA… tiivispakkauksellisille rakenteille materiaaleille, joilla on kovalenttisia sidoksia suuremmille diffundoituville atomeille tiheille materiaaleille

Tiedotettavaa Luettavaa: Ydinongelmia: Itseopiskeltavaa: