Diffusion à l'état solide
La diffusion solide décrit le mouvement d'atomes, d'ions ou d'électrons au sein d'un corps solide. Comparée à la diffusion gazeuse ou liquide, elle se déroule extrêmement lentement - c'est la forme la plus inerte du transport de matière au niveau atomique. Elle joue néanmoins un rôle décisif dans de nombreux processus industriels et technologiques.
La diffusion de matières solides est utilisée de manière ciblée, par exemple dans la métallurgie des poudres ou la céramique d'ingénierie. Ici, des matières étrangères finement dispersées - métaux, oxydes ou carbures - sont compactées sous haute pression puis frittées. Lors du frittage, les particules pénètrent dans les particules voisines au niveau des joints de grains ou à travers le réseau cristallin. On obtient ainsi des matériaux composites denses et solides aux propriétés ciblées.
Un autre exemple d'utilisation technique est la fabrication de composants semi-conducteurs. Dans la microélectronique, des dopants (par ex. bore, phosphore) sont introduits de manière ciblée dans les cristaux de silicium par diffusion à l'état solide afin de produire des propriétés électriques définies.
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La diffusion solide n'est cependant pas seulement un effet utile, elle peut aussi poser des problèmes. Un exemple connu est le phénomène de fragilisation par l'hydrogène : l'hydrogène pur peut diffuser pendant une longue période dans des métaux comme l'acier ou le titane. Cela entraîne des modifications structurelles dans la structure du matériau, ce qui peut entraîner une fragilisation ou une défaillance du matériau. Ce problème est particulièrement important pour les tuyauteries, les réservoirs à haute pression, les vannes et les composants de la technologie de l'hydrogène.
Autres exemples de diffusion à l'état solide :
- Protection contre la corrosion et diffusion thermique : les éléments de diffusion tels que l'aluminium, le chrome ou le zinc sont utilisés pour le revêtement des aciers.
- Soudage par diffusion : deux surfaces métalliques sont assemblées sous température et pression sans fusion - l'assemblage se fait uniquement par échange d'atomes.
- les batteries au lithium-ion : Pendant le processus de charge et de décharge, les ions de lithium se diffusent à travers la structure solide de l'électrode.
- Coloration du verre ou de la céramique : des ions (p. ex. cobalt, cuivre, fer) se diffusent dans la matrice solide pendant la cuisson et produisent des nuances de couleur.
La diffusion des solides peut être contrôlée thermiquement (par la température) ou chimiquement (par des gradients de concentration). Elle est généralement irréversible et dépend fortement de la structure cristalline, des forces de liaison et de la température.